CN108966685A - 电力转换装置、马达驱动单元、电动助力转向装置和继电器模块 - Google Patents

电力转换装置、马达驱动单元、电动助力转向装置和继电器模块 Download PDF

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锅师香织
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Abstract

电力转换装置(100)是将来自电源(101)的电力转换为对具有n相(n为3以上的整数)的绕组的电动马达(200)提供的电力的电力转换装置。电力转换装置(100)具有：第1逆变器(110)，其与电动马达的各相的绕组的一端连接；第2逆变器(140)，其与各相的绕组的另一端连接；第1相分离继电器电路(120)，其对各相的绕组的一端与第1逆变器之间的连接和非连接进行切换；以及第1中性点继电器电路(130)，其与各相的绕组的一端连接，并且，对各相的绕组的一端彼此的连接和非连接进行切换。

Description

电力转换装置、马达驱动单元、电动助力转向装置和继电器 模块
技术领域
本公开涉及将来自电源的电力转换为对电动马达提供的电力的电力转换装置、马达驱动单元、电动助力转向装置和继电器模块。
背景技术
无刷DC马达和交流同步马达等电动马达(以下，简单记载为“马达”。)一般由三相电流驱动。使用矢量控制等复杂控制技术，以准确地控制三相电流的波形。在这种控制技术中，需要高度的数学运算，使用微控制器(微型计算机)等数字运算电路。矢量控制技术被活用于马达的负载变动较大的用途，例如洗衣机、电动助力自行车、电动滑板车、电动助力转向装置、电动汽车、工业设备等领域。另一方面，在输出相对较小的马达中采用脉冲宽度调制(PWM)方式等其他马达控制方式。
在车载领域中，在车辆中使用汽车用电子控制单元(ECU：Electrical ContorlUnit)。ECU具有微控制器、电源、输入输出电路、AD转换器、负载驱动电路和ROM(Read OnlyMemory：只读存储器)等。以ECU为核心来构建电子控制***。例如，ECU处理来自传感器的信号，控制马达等致动器。具体地进行说明，ECU一边监视马达的旋转速度、扭矩，一边控制电力转换装置中的逆变器。在ECU的控制下，电力转换装置转换对马达提供的驱动电力。
近年来，开发了将马达、电力转换装置和ECU一体化而得到的机电一体式马达。特别是在车载领域中，根据安全性的观点，要求保证高质量。因此，采用了即使在部件的一部分发生故障时也能够继续安全工作的冗余设计。作为冗余设计的一例，正在研究对1个马达设置2个电力转换装置。作为另一例，正在研究对主微控制器设置备用微控制器。
例如专利文献1公开了如下电力转换装置，该电力转换装置具有控制部和2个逆变器，转换对三相马达提供的电力。2个逆变器分别与电源和接地(以下，记载为“GND”。)连接。一个逆变器与马达的三相的绕组的一端连接，另一个逆变器与三相的绕组的另一端连接。各逆变器具有由3个管脚构成的桥电路，该3个管脚分别包含高端开关元件和低端开关元件。控制部在检测到2个逆变器中的开关元件的故障的情况下，将马达控制从正常时的控制切换为异常时的控制。在本申请说明书中，“异常”主要意味着开关元件的故障。此外，“正常时的控制”意味着全部开关元件正常的状态下的控制，“异常时的控制”意味着某个开关元件产生了故障的状态下的控制。
在异常时的控制中，在2个逆变器中的包含发生故障的开关元件的逆变器(以下，记载为“故障逆变器”。)中，按照规定的规则使开关元件导通或截止，从而构成绕组的中性点。根据该规则，例如，在发生了高端开关元件始终截止的断路故障的情况下，在逆变器的桥电路中，3个高端开关元件中的发生了故障的开关元件以外的开关元件截止，并且3个低端开关元件导通。该情况下，中性点构成在低端侧。或者，在发生了高端开关元件始终导通的短路故障的情况下，在逆变器的桥电路中，在3个高端开关元件中的发生了故障的开关元件以外的开关元件导通，并且3个低端开关元件截止。该情况下，中性点构成在高端侧。根据专利文献1的电力转换装置，在异常时，三相的绕组的中性点构成在故障逆变器中。即使开关元件中产生故障，也能够使用正常的逆变器来继续马达驱动。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2014-192950号公报
发明内容
发明要解决的问题
在上述的现有技术中，要求进一步提高正常时和异常时的电流控制。
本公开的实施方式提供在正常时和异常时均能够进行适当的电流控制的电力转换装置。
用于解决问题的手段
本公开的例示的电力转换装置将来自电源的电力转换为对具有n相(n为3以上的整数)的绕组的电动马达提供的电力，该电力转换装置具有：第1逆变器，其与所述电动马达的各相的绕组的一端连接；第2逆变器，其与所述各相的绕组的另一端连接；第1相分离继电器电路，其对所述各相的绕组的一端与所述第1逆变器之间的连接和非连接进行切换；以及第1中性点继电器电路，其与所述各相的绕组的一端连接，并且，对所述各相的绕组的一端彼此的连接和非连接进行切换。
此外，本公开的例示的电力转换装置将来自电源的电力转换为对具有n相(n为3以上的整数)的绕组的马达提供的电力，该电力转换装置具有：第1逆变器，其与所述马达的各相的绕组的一端连接；第2逆变器，其与所述各相的绕组的另一端连接；至少n个继电器，其对所述n相的绕组的一端与所述第1逆变器之间的连接和非连接进行切换。
发明的效果
根据本公开的实施方式，提供如下的电力转换装置：通过第1相分离继电器电路和第1中性点继电器电路，在正常时和异常时均能够进行适当的电流控制。
此外，根据本公开的实施方式，提供如下的电力转换装置：通过对n相的绕组的一端与第1逆变器之间的连接和非连接进行切换的至少n个继电器，在正常时和异常时均能够进行适当的电流控制。
附图说明
图1是示出例示的实施方式1的电力转换装置100的电路结构的电路图。
图2是示出例示的实施方式1的电力转换装置100的其他电路结构的电路图。
图3是示出例示的实施方式1的电力转换装置100的又一其他电路结构的电路图。
图4是示出例示的实施方式1的具有电力转换装置100的马达驱动单元400的典型的块结构的框图。
图5是示出对电流值进行标绘而得到的电流波形(正弦波)的图，该电流值是根据正常时的三相通电控制对电力转换装置100进行控制时在马达200的U相、V相和W相的各绕组中流过的电流值。
图6是示出例如与马达电角270°的异常时的控制对应的电力转换装置100内的电流的流动的示意图。
图7是示出对根据异常时的控制而在马达200的U相、V相和W相的各绕组流过的电流值进行标绘得到的电流波形的图。
图8是示出具有一组继电器电路的电力转换装置100A的电路结构的电路图。
图9是示出例示的实施方式的电力转换装置100B的电路结构的电路图。
图10是示出例示的实施方式2的电力转换装置100B所具有的H桥181的图。
图11是示出例示的实施方式2的电力转换装置100B所具有的H桥182的图。
图12是示出例示的实施方式2的电力转换装置100B所具有的H桥183的图。
图13是示出例示的实施方式2的异常时的电力转换装置100B的示意图。
图14是示出例示的实施方式2的电力转换装置100B的动作的流程图。
图15是示出对电流值进行标绘而得到的电流波形的图，该电流值是根据例示的实施方式2的异常时的控制而在马达200的U相、V相和W相的各绕组流过的电流值。
图16是示出例示的实施方式2的异常时的电力转换装置100B的示意图。
图17是示出对电流值进行标绘而得到的电流波形的图，该电流值是根据例示的实施方式2的异常时的控制而在马达200的U相、V相和W相的各绕组中流过的电流值。
图18是示出例示的实施方式2的异常时的电力转换装置100B的示意图。
图19是示出对电流值进行标绘而得到的电流波形的图，该电流值是根据例示的实施方式2的异常时的控制而在马达200的U相、V相和W相的各绕组中流过的电流值。
图20是示出例示的实施方式2的电力转换装置100B的其他电路结构的电路图。
图21是示出例示的实施方式3的电动助力转向装置500的典型结构的示意图。
图22是示出例示的实施方式4的继电器模块600的电路结构的电路图。
图23是示出具有一组继电器电路的继电器模块600A的电路结构的电路图。
具体实施方式
在对本公开的实施方式进行说明之前，对作为本公开的基础的本申请发明者的见解进行说明。
在专利文献1的电力转换装置中，电源和GND与2个逆变器分别始终保持连接。在该结构中，不能切断电源与故障逆变器之间的连接。本申请发明者发现如下课题：在异常时即使在故障逆变器中构成中性点，故障逆变器也会从电源引入电流。由此，在故障逆变器中会发生电力损失。
与电源同样，也不能切断故障逆变器与GND之间的连接。本申请发明者发现如下课题：在异常时即使在故障逆变器中构成中性点，通过正常的逆变器而提供到各相的绕组的电流也不会返回到提供方的逆变器，而是从故障逆变器流入到GND。换言之，不可能形成驱动电流的闭环。期望从正常的逆变器提供到各相的绕组的电流通过提供方的逆变器而流到GND。
以下，参照附图对本公开的电力转换装置、马达驱动单元、电动助力转向装置和继电器模块的实施方式进行详细说明。但是，有时省略过度详细的说明。例如，有时省略已经公知的事项的详细说明和对实质相同的结构的重复说明。这是为了避免使以下的说明成为不必要的冗余，并使本领域技术人员容易理解。
在本申请说明书中，以如下的电力转换装置为例对本公开的实施方式进行说明，该电力转换装置将来自电源的电力转换为对具有三相(U相、V相，W相)的绕组的三相马达提供的电力。但是，转换为对具有四相或五相等n相(n为4以上的整数)的绕组的n相马达提供的电力的电力转换装置也属于本公开的范畴。
(实施方式1)
图1示意地示出本实施方式的电力转换装置100的电路结构。
电力转换装置100具有第1逆变器110、第1相分离继电器电路120、第1中性点继电器电路130、第2逆变器140、第2相分离继电器电路150、第2中性点继电器电路160。电力转换装置100能够将来自电源的电力转换为对各种马达提供的电力。马达200例如是三相交流马达。马达200具有U相的绕组M1、V相的绕组M2和W相的绕组M3，马达200与第1逆变器110及第2逆变器140连接。具体进行说明，第1逆变器110与马达200的各相的绕组的一端连接，第2逆变器140与各相的绕组的另一端连接。在本申请说明书中，部件(结构要素)彼此之间的“连接”主要指电连接。
第1逆变器110具有与各相对应的端子U_L、V_L和W_L，第2逆变器140具有与各相对应的端子U_R、V_R和W_R。第1逆变器110的端子U_L与U相的绕组M1的一端连接，端子V_L与V相的绕组M2的一端连接，端子W_L与W相的绕组M3的一端连接。与第1逆变器110同样，第2逆变器140的端子U_R与U相的绕组M1的另一端连接，端子V_R与V相的绕组M2的另一端连接，端子W_R与W相的绕组M3的另一端连接。这种接线与所谓的星型接线和三角接线不同。
第1逆变器110(有时记载为“桥电路L”。)包含具有3个管脚的桥电路。各管脚具有低端开关元件和高端开关元件。图1所示的开关元件111L、112L和113L是低端开关元件，开关元件111H、112H和113H是高端开关元件。作为开关元件，例如能够使用场效应晶体管(典型地为MOSFET)或绝缘栅双极晶体管(IGBT)。在本申请说明书中，对使用FET作为逆变器的开关元件的例子进行说明，在以下的说明中，有时将开关元件记载为FET。例如，将开关元件111L记载为FET111L。
第1逆变器110具有3个分流电阻111R、112R和113R，作为用于检测在U相、V相和W相的各相的绕组中流过的电流的电流传感器170(参照图4)。电流传感器170包含对各分流电阻中流过的电流进行检测的电流检测电路(未图示)。例如，分流电阻111R、112R和113R分别连接在第1逆变器110的3个管脚所包含的3个低端开关元件与GND之间。具体而言，分流电阻111R连接在FET111L与GND之间，分流电阻112R连接在FET112L与GND之间，分流电阻113R连接在FET113L与GND之间。分流电阻的电阻值例如是0.5mΩ～1.0mΩ左右。
与第1逆变器110同样，第2逆变器140(有时记载为“桥电路R”。)包含具有3个管脚的桥电路。图1所示的FET141L、142L和143L是低端开关元件，FET141H、142H和143H是高端开关元件。此外，第2逆变器140具有3个分流电阻141R、142R和143R。这些分流电阻连接在3个管脚所包含的3个低端开关元件与GND之间。第1和第2逆变器110、140的各FET例如可以由微控制器或专用驱动器来控制。
第1相分离继电器电路120连接在各相的绕组的一端与第1逆变器110之间。具体进行说明，第1相分离继电器电路120包含与各相的绕组的一端及第1逆变器110连接的3个第1相分离继电器121、122和123。第1相分离继电器121连接在FET111H和111L的连接节点与U相的绕组M1的一端之间。第1相分离继电器122连接在FET112H和112L的连接节点与V相的绕组M2的一端之间。第1相分离继电器123连接在FET113H和113L的连接节点与W相的绕组M3的一端之间。通过该电路结构，第1相分离继电器电路120对各相的绕组的一端与第1逆变器110之间的连接和非连接进行切换。
第2相分离继电器电路150连接在各相的绕组的另一端与第2逆变器140之间。具体进行说明，第2相分离继电器电路150包含与各相的绕组的另一端及第2逆变器140连接的3个第2相分离继电器151、152和153。第2相分离继电器151连接在FET141H和141L的连接节点与U相的绕组M1的另一端之间。第2相分离继电器152连接在FET142H和142L的连接节点与V相的绕组M2的另一端之间。第2相分离继电器153连接在FET143H和143L的连接节点与W相的绕组M3的另一端之间。通过该电路结构，第2相分离继电器电路150对各相的绕组的另一端与第2逆变器140之间的连接和非连接进行切换。
第1中性点继电器电路130与各相的绕组的一端连接。第1中性点继电器电路130具有3个第1中性点继电器131、132和133，该3个第1中性点继电器131、132和133的各自的一端与共同的第1节点N1连接，另一端与各相的绕组的一端连接。具体进行说明，第1中性点继电器131的一端与第1节点N1连接，另一端与U相的绕组M1的一端连接。第1中性点继电器132的一端与第1节点N1连接，另一端与V相的绕组M2的一端连接。第1中性点继电器133的一端与第1节点N1连接，另一端与W相的绕组M3的一端连接。通过该电路结构，第1中性点继电器电路130对各相的绕组的一端彼此的连接和非连接进行切换。
第2中性点继电器电路160与各相的绕组的另一端连接。第2中性点继电器电路160包含3个第2中性点继电器161、162和163，该3个第2中性点继电器161、162和163各自的一端与共同的第2节点N2连接，另一端与各相的绕组的另一端连接。具体进行说明，第2中性点继电器161的一端与第2节点N2连接，另一端与U相的绕组M1的另一端连接。第2中性点继电器162的一端与第2节点N2连接，另一端与V相的绕组M2的另一端连接。第2中性点继电器163的一端与第2节点N2连接，另一端与W相的绕组M3的另一端连接。通过该电路结构，第2中性点继电器电路160对各相的绕组的另一端彼此的连接和非连接进行切换。
第1相分离继电器121、122、123、第1中性点继电器131、132、133、第2相分离继电器151、152、153、第2中性点继电器161、162和163的继电器的导通或截止例如可由微控制器或专用驱动器来控制。作为这些继电器，例如能够广泛使用FET或IGBT等晶体管。此外，作为继电器，也可以使用机械继电器、三端双向交流开关或晶闸管等。作为继电器，能够使用可进行电连接和非连接之间的切换的任意的元件。在本申请说明书中，对使用FET作为这些继电器的例子进行说明，在以下的说明中，将各继电器记载为FET。例如，将第1相分离继电器121、122和123分别记载为FET121、122和123。
电力转换装置100与电源101和GND连接。具体进行说明，第1和第2逆变器110、140分别与电源101和GND连接。从电源101对第1和第2逆变器110、140提供电力。
电源101生成规定的电源电压。作为电源101，例如使用直流电源。其中，电源101可以是AC-DC转换器和DC-DC转换器，也可以是电池(蓄电池)。电源101可以是第1和第2逆变器110、140共同的单一电源，也可以具有第1逆变器110用的第1电源和第2逆变器140用的第2电源。
在电源101与电力转换装置100之间设有线圈102。线圈102作为噪声滤波器来发挥功能，以使得对各逆变器提供的电压波形所包含的高频噪声或在各逆变器中产生的高频噪声不向电源101侧流出的方式进行平滑化。此外，在各逆变器的电源端子上连接有电容器103。电容器103是所谓的旁路电容器，抑制电压波纹。电容器103例如是电解电容器，根据设计规格等来适当决定容量和要使用的个数。
图1例示了在每个逆变器的各管脚配置1个分流电阻的结构。其中，第1和第2逆变器110、140可以具有6个以下的分流电阻。6个以下的分流电阻可以连接在第1和第2逆变器110、140所具有的6个管脚中的6个以下的低端开关元件与GND之间。进而，当将其扩展为n相马达时，第1和第2逆变器110、140可以具有2n个以下的分流电阻。2n个以下的分流电阻可以连接在第1和第2逆变器110、140所具有的2n个管脚中的2n个以下的低端开关元件与GND之间。
图2示意地示出本实施方式的电力转换装置100的其他电路结构。还可以在第1或第2逆变器110、140的各管脚与绕组M1、M2和M3之间配置3个分流电阻。例如，可以在第1逆变器110与绕组M1、M2和M3的一端之间配置分流电阻111R、112R和113R。此外，例如，虽然未图示，但是，分流电阻111R、112R可以配置在第1逆变器110与绕组M1、M2的一端之间，分流电阻143R可以配置在第2逆变器140与绕组M3的另一端之间。在这种结构中，只要配置有用于U、V和W相的3个分流电阻就足够了，最低配置2个分流电阻即可。
图3示意地示出本实施方式的电力转换装置100的又一其他电路结构。例如可以在各逆变器中仅配置1个在各相的绕组中共同的分流电阻。1个分流电阻111R例如可以连接在第1逆变器110的低端侧的节点N3(各管脚的连接点)与GND之间，另1个分流电阻141R例如可以连接在第2逆变器140的低端侧的节点N4与GND之间。另外，使用正常的逆变器侧的分流电阻来检测马达电流。因此，能够与相分离继电器电路的配置无关，而在能够检测马达电流的位置处配置分流电阻。或者，与低端侧同样，1个分流电阻111R例如连接在第1逆变器110的高端侧的节点N5与电源101之间，另1个分流电阻141R例如连接在第2逆变器140的高端侧的节点N6与电源101之间。这样，考虑产品成本和设计规格等来适当决定要使用的分流电阻的数量和分流电阻的配置。
图4示意地示出具有电力转换装置100的马达驱动单元400的典型的块结构。
马达驱动单元400具有电力转换装置100、马达200和控制电路300。
控制电路300例如具有电源电路310、角度传感器320、输入电路330、微控制器340、驱动电路350、ROM 360。控制电路300与电力转换装置100连接，通过控制电力转换装置100来驱动马达200。具体而言，控制电路300能够对作为目标的转子的位置、旋转速度和电流等进行控制从而实现闭环控制。另外，控制电路300也可以代替角度传感器而具有扭矩传感器。该情况下，控制电路300能够控制作为目标的的马达扭矩。
电源电路310生成电路内的各模块所需要的DC电压(例如3V，5V)。角度传感器320例如是旋转变压器或霍尔IC。角度传感器320检测马达200的转子的旋转角(以下，记载为“旋转信号”。)，将旋转信号输出到微控制器340。输入电路330接收由电流传感器170检测到的马达电流值(以下，记载为“实际电流值”。)，根据需要将实际电流值的电平转换为微控制器340的输入电平，将实际电流值输出到微控制器340。
微控制器340控制电力转换装置100的第1和第2逆变器110、140中的各FET的开关动作(开启或关闭)。微控制器340根据实际电流值和转子的旋转信号等设定目标电流值而生成PWM信号，并将该PWM信号输出到驱动电路350。此外，例如微控制器340能够对电力转换装置100中的第1相分离继电器电路120、第1中性点继电器电路130、第2相分离继电器电路150和第2中性点继电器电路160的导通/截止状态进行切换。或者，也可以是，驱动电路350在微控制器340的控制下，执行各继电器电路的导通/截止状态的切换。驱动电路350典型地是栅极驱动器。驱动电路350根据PWM信号生成对第1和第2逆变器110、140中的各FET的开关动作进行控制的控制信号(栅极控制信号)，对各FET的栅极提供控制信号。另外，微控制器340也可以具有驱动电路350的功能。该情况下，控制电路300中也可以不存在驱动电路350。
ROM 360例如是可写入的存储器、可改写的存储器或只读存储器。ROM 360存储控制程序，该控制程序包含用于使微控制器340控制电力转换装置100的命令群。例如，控制程序在启动时在RAM(未图示)中被暂时展开。
电力转换装置100中存在正常时和异常时的控制。控制电路300(主要是微控制器340)能够将电力转换装置100的控制从正常时的控制切换为异常时的控制。根据控制的种类，决定第1相分离继电器电路120、第1中性点继电器电路130、第2相分离继电器电路150和第2中性点继电器电路160的导通/截止状态。
以下，详细说明各继电器电路的导通/截止状态和导通/截止状态中的第1和第2逆变器110、140与马达200之间的电连接关系。
控制电路300以当使第1相分离继电器电路120导通时使第1中性点继电器电路130截止、并且当使第1相分离继电器电路120截止时使第1中性点继电器电路130导通的方式，择一地控制双方的继电器电路。这里，“使第1相分离继电器电路120导通”的意思是使FET121、122和123全部导通，“使第1相分离继电器电路120截止”的意思是使FET121、122和123全部截止。此外，“使第1中性点继电器电路130导通”的意思是使FET131、132和133全部导通，“使第1中性点继电器电路130截止”的意思是使FET131、132和133全部截止。
当第1相分离继电器电路120导通时，第1逆变器110与各相的绕组的一端连接，当第1相分离继电器电路120截止时，第1逆变器110从各相的绕组的一端断开。当第1中性点继电器电路130导通时，各相的绕组的一端彼此被连接，当第1中性点继电器电路130截止时，各相的绕组的一端彼此不连接。
控制电路300以当使第2相分离继电器电路150导通时使第2中性点继电器电路160截止、并且当使第2相分离继电器电路150截止时使第2中性点继电器电路160导通的方式，择一地控制双方的继电器电路。这里，“使第2相分离继电器电路150导通”的意思是使FET151、152和153全部导通，“使第2相分离继电器电路150截止”的意思是使FET151、152和153全部截止。此外，“使第2中性点继电器电路160导通”的意思是使FET161、162和163全部导通，“使第2中性点继电器电路160截止”的意思是使FET161、162和163全部截止。
当第2相分离继电器电路150导通时，第2逆变器140与各相的绕组的另一端连接，当使第2相分离继电器电路150截止时，第2逆变器140从各相的绕组的另一端断开。当第2中性点继电器电路160导通时，各相的绕组的另一端彼此被连接，当第2中性点继电器电路160截止时，各相的绕组的另一端彼此不连接。
(1.正常时的控制)
首先，对电力转换装置100的正常时的控制方法的具体例进行说明。如上所述，正常是指第1和第2逆变器110、140的各FET未发生故障的状态。
在正常时，控制电路300使第1相分离继电器电路120导通而使第1中性点继电器电路130截止，并且，使第2相分离继电器电路150导通而使第2中性点继电器电路160截止。由此，第1和第2中性点继电器电路130、160从各相的绕组断开，并且，第1逆变器110经由第1相分离继电器电路120而与各相的绕组的一端连接，第2逆变器140经由第2相分离继电器电路150而与各相的绕组的另一端连接。在该连接状态中，控制电路300使用第1和第2逆变器110、140双方进行三相通电控制，从而驱动马达200。具体而言，控制电路300以彼此相反的相位(相位差＝180°)对第1逆变器110的FET和第2逆变器140的FET进行开关控制，从而进行三相通电控制。例如，着眼于包含FET111L、111H、141L和141H的H桥，当FET111L导通时，FET141L截止，当FET111L截止时，FET141L导通。与此同样，当FET111H导通时，FET141H截止，当FET111H截止时，FET141H导通。
图5例示了对电流值进行标绘而得到的电流波形(正弦波)，该电流值是根据正常时的三相通电控制对电力转换装置100进行控制时在马达200的U相、V相和W相的各绕组中流过的电流值。横轴表示马达电角(度)，纵轴表示电流值(A)。在图5的电流波形中，按照每30°电角对电流值进行标绘。Ipk表示各相的最大电流值(峰值电流值)。
表1在图5的正弦波中按照每个电角示出在各逆变器的端子流过的电流值。具体而言，表1示出在第1逆变器110(桥电路L)的端子U_L，V_L和W_L中流过的每30°电角的电流值，以及在第2逆变器140(桥电路R)的端子U_R、V_R和W_R中流过的每30°电角的电流值。这里，针对桥电路L，将从桥电路L的端子向桥电路R的端子流动的电流方向定义为正方向。图5所示的电流的方向遵循该定义。此外，针对桥电路R，将从桥电路R的端子向桥电路L的端子流动的电流方向定义为正方向。因此，桥电路L的电流与桥电路R的电流之间的相位差为180°。在表1中，电流值I1的大小是〔(3)1/2/2〕＊Ipk，电流值I2的大小是Ipk/2。
【表1】
在电角0°时，在U相的绕组M1中不流过电流。在V相的绕组M2中从桥电路R向桥电路L流过大小I1的电流，在W相的绕组M3中从桥电路L向桥电路R流过大小I1的电流。
在电角30°时，在U相的绕组M1中从桥电路L向桥电路R流过大小I2的电流，在V相的绕组M2中从桥电路R向桥电路L流过大小Ipk的电流，在W相的绕组M3中从桥电路L向桥电路R流过大小I2的电流。
在电角60°时，在U相的绕组M1中从桥电路L向桥电路R流过大小I1的电流，在V相的绕组M2中从桥电路R向桥电路L流过大小I1的电流。在W相的绕组M3中不流过电流。
在电角90°时，在U相的绕组M1中从桥电路L向桥电路R流过大小Ipk的电流，在V相的绕组M2中从桥电路R向桥电路L流过大小I2的电流，在W相的绕组M3中从桥电路R向桥电路L流过大小I2的电流。
在电角120°时，在U相的绕组M1中从桥电路L向桥电路R流过大小I1的电流，在W相的绕组M3中从桥电路R向桥电路L流过大小I1的电流。在V相的绕组M2中不流过电流。
在电角150°时，在U相的绕组M1中从桥电路L向桥电路R流过大小I2的电流，在V相的绕组M2中从桥电路L向桥电路R流过大小I2的电流，在W相的绕组M3中从桥电路R向桥电路L流过大小Ipk的电流。
在电角180°时，在U相的绕组M1中不流过电流。在V相的绕组M2中从桥电路L向桥电路R流过大小I1的电流，在W相的绕组M3中从桥电路R向桥电路L流过大小I1的电流。
在电角210°时，在U相的绕组M1中从桥电路R向桥电路L流过大小I2的电流，在V相的绕组M2中从桥电路L向桥电路R流过大小Ipk的电流，在W相的绕组M3中从桥电路R向桥电路L流过大小I2的电流。
在电角240°时，在U相的绕组M1中从桥电路R向桥电路L流过大小I1的电流，在V相的绕组M2中从桥电路L向桥电路R流过大小I1的电流。在W相的绕组M3中不流过电流。
在电角270°时，在U相的绕组M1中从桥电路R向桥电路L流过大小Ipk的电流，在V相的绕组M2中从桥电路L向桥电路R流过大小I2的电流，在W相的绕组M3中从桥电路L向桥电路R流过大小I2的电流。
在电角300°时，在U相的绕组M1中从桥电路R向桥电路L流过大小I1的电流，在W相的绕组M3中从桥电路L向桥电路R流过大小I1的电流。在V相的绕组M2中不流过电流。
在电角330°时，在U相的绕组M1中从桥电路R向桥电路L流过大小I2的电流，在V相的绕组M2中从桥电路R向桥电路L流过大小I2的电流，在W相的绕组M3中从桥电路L向桥电路R流过大小Ipk的电流。
根据本实施方式的三相通电控制，考虑了电流的方向的三相的绕组中流过的电流总和按照每个电角而始终为“0”。例如，控制电路300通过可得到图5所示的电流波形的PWM控制，对桥电路L和R的各FET的开关动作进行控制。
(2.异常时的控制)
对电力转换装置100的异常时的控制方法的具体例进行说明。如上所述，异常主要意味着FET中发生了故障。FET的故障大致分为“断路故障”和“短路故障”。“断路故障”是指FET的源极-漏极间开放的故障(换言之，源极-漏极间的电阻rds成为高阻抗)，“短路故障”是指FET的源极-漏极间发生短路的故障。
再次参考图1。在电力转换装置100的动作时，通常认为发生如下的随机故障：2个逆变器的12个FET中的1个FET随机发生故障。本公开主要以发生了随机故障的情况下的电力转换装置100的控制方法为对象。但是，本公开还将多个FET连锁地发生故障等情况下的电力转换装置100的控制方法作为对象。连锁的故障意味着例如在1个管脚的高端开关元件和低端开关元件同时发生的故障。
当长时间使用电力转换装置100时，可能发生随机故障。另外，随机故障与在制造时可能发生的制造故障不同。当2个逆变器中的多个FET中的1个FET发生故障时，已经不能进行正常时的三相通电控制。
作为故障检测的一例，驱动电路350监视FET的漏极-源极间的电压Vds，对规定的阈值电压和Vds进行比较，从而检测FET的故障。阈值电压例如是通过与外部IC(未图示)之间的数据通信和外部部件而在驱动电路350中设定的。驱动电路350与微控制器340的端口连接，将故障检测信号通知给微控制器340。例如，驱动电路350在检测到FET的故障时，对故障检测信号进行断言(assert)。微控制器340接收到被断言的故障检测信号后，读出驱动电路350的内部数据，判别2个逆变器中的多个FET中的哪个FET发生了故障。
作为故障检测的另一例，微控制器340还能够根据马达的实际电流值与目标电流值之差来检测FET的故障。但是，故障检测不限于这些方法，还可以广泛使用与故障检测有关的公知的方法。
微控制器340在故障检测信号被断言后，将电力转换装置100的控制从正常时的控制切换为异常时的控制。例如，将正常时的控制切换为异常时的控制的时机是从故障检测信号被断言起10msec～30msec左右。
在异常时的控制的说明中，将2个逆变器中的第1逆变器110作为故障逆变器进行处理，将第2逆变器140作为正常逆变器进行处理。另外，在第2逆变器140是故障逆变器的情况下，通过使第1逆变器110和第2逆变器140的动作相反，也能够同样地进行控制。以下，分为高端开关元件发生了故障的情况和低端开关元件发生了故障的情况来对控制进行说明。
〔2-1.高端开关元件的故障〕
假设在第1逆变器110的高端开关元件(FET111H、112H和113H)中，FET111H发生了断路故障。另外，在FET112H或113H发生断路故障的情况下，也能够通过以下说明的控制方法对电力转换装置100进行控制。
在FET111H发生断路故障的情况下，控制电路300使第1相分离继电器电路120截止而使第1中性点继电器电路130导通，并且，使第2相分离继电器电路150导通而使第2中性点继电器电路160截止。由此，包含发生故障的FET111H的第1逆变器110从马达200(即，各相的绕组的一端)断开，仅正常的第2逆变器140与马达200(即，各相的绕组的另一端)连接。在该连接状态下，由于第1中性点继电器电路130导通，因此第1节点N1作为各相的绕组的中性点来发挥功能。在本申请说明书中，将“某个节点作为中性点来发挥功能”表达为“构成中性点”。另外，在第2中性点继电器电路160不构成中性点。在第1逆变器110中，期望将发生故障的FET111H以外的其他FET112H、113H、111L、112L和113L全部设为截止状态。控制电路300例如在第1逆变器110中，将发生故障的FET111H以外的其他FET112H、113H、111L、112L和113L全部设为截止状态。控制电路300在第1中性点继电器电路130中构成了中性点的状态下控制第2逆变器140，从而驱动马达200。
根据该控制，能够通过第1相分离继电器电路120将第1逆变器110从马达200断开，并且能够使用第1中性点继电器电路130来形成驱动电流的闭环，因此在异常时也能够进行适当的电流控制。
图6示意地示出例如与马达电角270°时的异常时的控制对应的电力转换装置100内的电流的流动。3个实线分别表示从电源101向马达200流动的电流，图7例示了对电流值进行标绘而得到的电流波形，该电流值是根据异常时的控制而在马达200的U相、V相和W相的各绕组中流过的电流值。横轴表示马达电角(度)，纵轴表示电流值(A)。
在图6所示的状态中，第2逆变器140的FET141H、142L和143L是导通状态，FET141L、142H和143H是截止状态。在第2逆变器140的FET141H中流过的电流通过绕组M1和第1中性点继电器电路130的FET131而流入中性点。该电流的一部分通过FET132而流入绕组M2，其余的电流通过FET133而流入绕组M3。在绕组M2和M3中流过的电流分别通过第2逆变器140的FET142L和143L而流入到GND。
由于FET111H发生断路故障，并且第1逆变器110的除了FET111H以外的FET112H、113H、111L、112L和113L是截止状态，因此，电流不会从电源101流入第1逆变器110。此外，由于第1逆变器110通过第1相分离继电器电路120而从马达200断开，因此，电流不会从第2逆变器140流向第1逆变器110。
表2是按照图7的电流波形中的每个电角而例示了向第2逆变器140的端子流动的电流值。具体而言，表2例示了在第2逆变器140(桥电路R)的端子U_R、V_R和W_R中流过的每电角30°的电流值。电流方向的定义如上所述。另外，根据电流方向的定义，图7所示的电流值的正负的符号与表2所示的电流值的正负的符号成为相反关系(相位差180°)。
【表2】
例如，在电角30°时，在U相的绕组M1中从桥电路L侧向桥电路R流过大小I2的电流，在V相的绕组M2中从桥电路R向桥电路L侧流过大小Ipk的电流，在W相的绕组M3中从桥电路L侧向桥电路R流过大小I2的电流。在电角60°中，在U相的绕组M1中从桥电路L侧向桥电路R流过大小I1的电流，在V相的绕组M2中从桥电路R向桥电路L侧流过大小I1的电流。在W相的绕组M3中不流过电流。流入中性点的电流与从中性点流出的电流的总和按照每个电角而始终为“0”。控制电路300例如通过可得到图7所示的电流波形的PWM控制而对桥电路R的各FET的开关动作进行控制。
如表1和表2所示，在正常时和异常时的控制之间，流入马达200的马达电流不按照每个电角而变化。因此，在异常时的控制中，维持正常时的控制中的马达的辅助扭矩。
在FET111H发生短路故障的情况下，也与发生断路故障的情况同样，能够根据上述的控制方法来控制电力转换装置100。在短路故障的情况下，FET111H始终成为导通状态，但第1相分离继电器电路120的FET121是截止状态，并且FET111H以外的FET112H、113H、111L、112L和113L是截止状态，因此，电流不会从电源101流入第1逆变器110。
〔2-2.低端开关元件的故障〕
假设在第1逆变器110的低端开关元件(FET111L、112L和113L)中，FET111L发生了断路故障或短路故障。该情况下的控制与高端开关元件发生故障的情况下的控制同样。即，控制电路300使第1相分离继电器电路120截止而使第1中性点继电器电路130导通，并且使第2相分离继电器电路150导通而使第2中性点继电器电路160截止。并且，控制电路300使第1逆变器110中的发生故障的FET111L以外的其他FET111H、112H、113H、112L和113L全部成为截止状态。控制电路300在第1中性点继电器电路130中构成了中性点的状态下控制第2逆变器140，从而驱动马达200。
在FET111L发生故障的情况下，第1逆变器110的除了FET111L以外的FET111H、112H、113H、112L和113L是截止状态，因此，电流不会从电源101流入第1逆变器110。此外，由于第1逆变器110通过第1相分离继电器电路120而从马达200断开，因此电流不会从第2逆变器140流向第1逆变器110。另外，在FET112L或113L发生故障的情况下，也能够通过上述的控制方法来控制电力转换装置100。
这样，在第1逆变器110包含至少1个发生故障的FET的情况下，能够使用第1相分离继电器电路120将第1逆变器110从马达200断开，并且，能够通过第1中性点继电器电路130使第1节点N1作为各相的绕组的中性点来发挥功能。
参照图8来说明电力转换装置100的电路结构的变形例。
在本实施方式中，电力转换装置100具有2个相分离继电器电路和2个中性点继电器电路。然而，本公开不限于此。例如，电力转换装置100也可以具有第1相分离继电器电路120和第1中性点继电器电路130(一组继电器电路)。换言之，也可以选择在电力转换装置100的1个逆变器中设置一组继电器电路的结构。
图8示出具有一组继电器电路的电力转换装置100A的电路结构。假设与一组继电器电路连接的逆变器，即与第1相分离继电器电路120和第1中性点继电器电路130连接的第1逆变器110发生了故障。该情况下，控制电路300使第1相分离继电器电路120截止而使第1中性点继电器电路130导通。根据该电路结构，能够将故障逆变器从马达200断开，并且能够使第1节点N1作为中性点而发挥功能。控制电路300在第1中性点继电器电路130中构成了中性点状态下，能够通过控制正常的第2逆变器140来驱动马达200。
根据本实施方式，在异常时的控制中，能够抑制电力损失，并且，通过形成驱动电流的闭环，能够进行适当的电流控制。
(实施方式2)
接着，对电力转换装置的异常时的动作的另一例进行说明。图9示意地示出本实施方式的电力转换装置100B的电路结构。
上述的电力转换装置100具有第1相分离继电器电路120、第1中性点继电器电路130、第2相分离继电器电路150、第2中性点继电器电路160。本实施方式的电力转换装置100B具有第1相分离继电器电路120、第2相分离继电器电路150，但是，不具有第1中性点继电器电路130、第2中性点继电器电路160。另外，在使用三端双向交流开关作为相分离继电器的情况下，电力转换装置100B也可以不具有第2相分离继电器电路150。
电力转换装置100B具有至少n个相分离继电器，该至少n个相分离继电器对马达200的n相(n为3以上的整数)的绕组的一端与第1逆变器110之间的连接和非连接进行切换。在该例中，电力转换装置100B具有3个相分离继电器121、122、123，该3个相分离继电器121、122、123对马达200的三相的绕组M1、M2、M3的一端与第1逆变器110之间的连接和非连接进行切换。此外，电力转换装置100B具有n个相分离继电器，该n个相分离继电器对马达200的n相的绕组的另一端与第2逆变器140之间的连接和非连接进行切换。在该例中，电力转换装置100B具有3个相分离继电器151、152、153，该3个相分离继电器151、152、153对马达200的绕组M1、M2、M3的另一端与第2逆变器140之间的连接和非连接进行切换。
图10、图11和图12是示出电力转换装置100B所具有的3个H桥181、182和183的图。
第1逆变器110具有管脚171、173和175。管脚171具有FET111H和FET111L。管脚173具有FET112H和FET112L。管脚175具有FET113H和FET113L。
第2逆变器140具有管脚172、174和176。管脚172具有FET141H和FET141L。管脚174具有FET142H和FET142L。管脚176具有FET143H和FET143L。
图10所示的H桥181具有管脚171、绕组M1和管脚172。在管脚171与绕组M1之间配置相分离继电器121。在管脚172与绕组M1之间配置相分离继电器151。图11所示的H桥182具有管脚173、绕组M2和管脚174。在管脚173与绕组M2之间配置相分离继电器122。在管脚174与绕组M2之间配置相分离继电器152。图12所示的H桥183具有管脚175、绕组M3和管脚176。在管脚175与绕组M3之间配置相分离继电器123。在管脚176与绕组M3之间配置相分离继电器153。
电力转换装置100B在正常时与上述的电力转换装置100同样，通过三相通电控制而进行动作。在电力转换装置100B中，在第1和第2逆变器所具有的FET的至少1个发生了故障的情况下，从基于三相通电控制的动作切换到基于二相通电控制的动作。
对电力转换装置100B的异常时的动作的具体例进行说明。图13是示出电力转换装置100B中的U相的FET发生故障的状态的图。图14是示出电力转换装置100B的动作的流程图。
在未检测到FET的故障的正常时，控制电路300对第1逆变器110和第2逆变器140进行三相通电控制(步骤S101)。在正常时的三相通电控制中，相分离继电器121、122、123，151、152、153处于导通状态。
驱动电路350监视第1逆变器110和第2逆变器140的各FET有无故障(步骤S102)。在未检测到故障(步骤S102中为“否”)，且没有停止电力转换装置100B的驱动的命令的情况下(步骤S103中为“否”)，继续三相通电控制。在三相通电控制的持续过程中输入了停止电力转换装置100B的驱动的命令的情况下(步骤S103中为“是”)，停止电力转换装置100B的驱动。
在驱动电路350检测到FET的故障的情况下(步骤S102中为“是”)，控制电路300将第1逆变器110和第2逆变器140的控制从三相通电控制变更为二相通电控制(步骤S104)。此时，使用三相中的与连接发生故障的FET的绕组的相不同的其他二相来进行二相通电控制(步骤S105)。
例如，如图13所示，假设第1逆变器110的FET111H发生了故障。FET111H的故障的种类可以是短路故障和断路故障中的任意一方。此时，控制电路300使3个相分离继电器121、122、123中的相分离继电器121截止，该相分离继电器121对与发生故障的FET111H连接的绕组M1和第1逆变器110之间的连接和非连接进行切换。控制电路300使与截止的相分离继电器121不同的其余2个相分离继电器122、123导通。此外，使对绕组M1和第2逆变器140之间的连接和非连接进行切换的相分离继电器151截止。其余2个相分离继电器152、153导通。
控制电路300使用与发生故障的管脚171(图10)和管脚172不同的其他4个管脚173、174、175、176(图11、图12)来执行二相通电控制，其中，管脚171包含发生故障的FET111H，管脚172与发生故障的管脚171构成H桥181。即，控制电路300使用与包含发生故障的FET111H的H桥181(U相)不同的其他2个H桥182和183(V相和W相)来执行二相通电控制。
在没有停止电力转换装置100B的驱动的命令的情况下(步骤S106中为“否”)，继续进行二相通电控制。在输入了停止电力转换装置100B的驱动的命令的情况下(步骤S106中为“是”)，停止电力转换装置100B的驱动。
图15例示了对电流值进行标绘而得到的电流波形(正弦波)，该电流值是根据二相通电控制对电力转换装置100B进行控制时在马达200的U相、V相和W相的各绕组中流过的电流值。在该例中，不使用U相而使用V相和W相来进行二相通电控制。横轴表示马达电角(度)，纵轴表示电流值(A)。Ipk表示各相的最大电流值(峰值电流值)。在二相通电控制中，对最大电流值和在2个相中流过的电流的相位差进行调整，从而使扭矩等变化。
另外，在二相通电控制时，也可以将与三相通电控制时相同的电力提供给马达200。由此，能够使马达200产生大小与在三相通电控制时产生的扭矩接近的扭矩。
在该例中，使在具有发生故障的FET111H的U相设置的相分离继电器121、151截止。由此，在U相发生反电动势的情况下，由于在再生电流所流过的电流路径上开放相分离继电器121、151，因此也能够防止再生扭矩的发生，能够继续其余二相中的驱动。
在与FET111H不同的包含在H桥181中的其他FET111L、141H、141L中的任意一方故障的情况下，也与上述同样，能够进行二相通电控制。
这样，在检测到第1逆变器110和第2逆变器140所具有的FET的故障的情况下，将第1逆变器110和第2逆变器140的控制从三相通电控制变更为二相通电控制。由此，在第1逆变器110和第2逆变器140所具有的FET发生故障的情况下，也能够继续马达200的旋转驱动。
图16是示出电力转换装置100B中的V相的FET发生故障的状态的图。在该例中，第1逆变器110的FET112L发生了故障。FET112L的故障的种类可以是短路故障和断路故障中的任意一方。此时，控制电路300使3个相分离继电器121、122、123中的相分离继电器122截止，该相分离继电器122对与发生故障的FET112L连接的绕组M2和第1逆变器110之间的连接和非连接进行切换。控制电路300使与截止的相分离继电器122不同的其余2个相分离继电器121、123导通。此外，使对绕组M2和第2逆变器140之间的连接和非连接进行切换的相分离继电器152截止。其余2个相分离继电器151、153导通。
控制电路300使用与发生故障的管脚173(图11)和管脚174不同的其他4个管脚171、172、175、176(图10、图12)来执行二相通电控制，其中，管脚173包含发生故障的FET112L，管脚174与发生故障的管脚173构成H桥182。即，控制电路300使用与包含发生故障的FET112L的H桥182(V相)不同的其他2个H桥181和183(U相和W相)来执行二相通电控制。
图17例示了对电流值进行标绘而得到的电流波形(正弦波)，该电流值是根据二相通电控制对电力转换装置100B进行控制时在马达200的U相、V相和W相的各绕组中流过的电流值。在该例中，不使用V相而使用U相和W相进行二相通电控制。横轴示出马达电角(度)，纵轴示出电流值(A)。Ipk表示各相的最大电流值(峰值电流值)。
另外，二相通电控制时也可以将与三相通电控制时相同的电力提供给马达200。由此，能够使马达200产生大小与三相通电控制时产生的扭矩接近的扭矩。
在该例中，使在具有发生故障的FET112L的V相设置的相分离继电器122、152截止。由此，在V相发生反电动势的情况下，由于在再生电流所流过的电流路径上开放相分离继电器122、152，因此也能够防止再生扭矩的发生，能够继续其余二相中的驱动。
在与FET112L不同的包含在H桥182中的其他FET112H、142H、142L中的任意一方发生了故障的情况下，也与上述同样，能够进行二相通电控制。
图18是示出电力转换装置100B中的W相的FET发生故障的状态的图。在该例中，第2逆变器140的FET143H发生了故障。FET143H的故障的种类可以是短路故障和断路故障中的任意一方。此时，控制电路300使3个相分离继电器151、152、153中的相分离继电器153截止，该相分离继电器153对与发生故障的FET143H连接的绕组M3和第2逆变器140之间的连接和非连接进行切换。控制电路300使与截止的相分离继电器153不同的其余2个相分离继电器151、152导通。此外，使对绕组M3和第1逆变器110之间的连接和非连接进行切换的相分离继电器123截止。其余2个相分离继电器121、122导通。
控制电路300使用与发生故障的管脚176(图12)和管脚175不同的其他4个管脚171、172、173、174(图10、图11)来执行二相通电控制，其中，管脚176包含发生故障的FET143H，管脚175与发生故障的管脚176构成H桥183。即，控制电路300使用与包含发生故障的FET143H的H桥183(W相)不同的其他2个H桥181和182(U相和V相)来执行二相通电控制。
图19例示了对电流值进行标绘而得到的电流波形(正弦波)，该电流值是按照二相通电控制对电力转换装置100B进行控制时在马达200的U相、V相和W相的各绕组中流过的电流值。在该例中，不使用W相而使用U相和V相来进行二相通电控制。横轴表示马达电角(度)，纵轴表示电流值(A)。Ipk表示各相的最大电流值(峰值电流值)。
另外，在二相通电控制时，也可以将与三相通电控制时相同的电力提供给马达200。由此，能够使马达200产生大小与在三相通电控制时产生的扭矩接近的扭矩。
在该例中，使在具有发生故障的FET143H的W相设置的相分离继电器123、153截止。由此，在W相发生反电动势的情况下，由于在再生电流所流过的电流路径上开放相分离继电器123、153，因此也能够防止再生扭矩的发生，能够继续其余二相中的驱动。
在与FET143H不同的包含在H桥183中的其他FET113H、113L、143L中的任意一方故障的情况下，也与上述同样，能够进行二相通电控制。
另外，相分离继电器151、152、153也可以设于第1逆变器110侧。图20示出电力转换装置100B的电路结构的变形例。在该例中，相分离继电器121、122、123、151、152、153对马达200的绕组M1、M2、M3的一端与第1逆变器110之间的连接和非连接进行切换。
在上述的实施方式的说明中，例示了三相马达作为马达200，但是，马达200也可以是相数比三相多的马达。马达200也可以是具有n相(n为3以上的整数)的绕组的n相马达，例如四相马达、五相马达或六相马达。在电力转换装置100B中设置有对马达200的n相的绕组的一端与第1逆变器110之间的连接和非连接进行切换的至少n个相分离继电器。
在上述的说明中，在检测到FET的故障的情况下，从三相通电控制变更为二相通电控制，但是，在故障时进行驱动的相数不限于比正常时少一个的相数。例如，在马达200是五相马达的情况下，也可以从五相通电控制变更为二相通电控制或三相通电控制。
马达200是四相马达的情况也同样，在检测到FET的故障的情况下，可以从四相通电控制变更为三相通电控制，也可以变更为二相通电控制。
此外，马达200是六相马达的情况也同样，在检测到FET的故障的情况下，也可以从六相通电控制变更为五相通电控制、四相通电控制、三相通电控制、二相通电控制中的任意一种控制。
这样，在检测到FET的故障的情况下，从n相通电控制变更为m相通电控制。m是2以上且小于n的整数。在检测到FET的故障的情况下，可以通过能够对马达200进行旋转驱动的最低限的相数以上的相数进行驱动。例如，如果是无刷马达，则能够以2相以上的相数进行驱动。通过适当设定在故障时使用的相数，能够选择最佳的马达输出，并且能够抑制马达200的进一步的故障。
(实施方式3)
汽车等车辆一般具有电动助力转向装置。电动助力转向装置生成辅助扭矩，该辅助扭矩用于对驾驶员操作方向盘而产生的转向***的转向扭矩进行辅助。辅助扭矩由辅助扭矩机构生成，能够减轻驾驶员的操作负担。例如，辅助扭矩机构具有转向扭矩传感器、ECU、马达和减速机构等。转向扭矩传感器检测转向***中的转向扭矩。ECU根据转向扭矩传感器的检测信号生成驱动信号。马达根据驱动信号生成与转向扭矩对应的辅助扭矩，经由减速机构将辅助扭矩传递到转向***。
本公开的马达驱动单元400适合用于电动助力转向装置。图21示意地示出本实施方式的电动助力转向装置500的典型的结构。电动助力转向装置500具有转向***520和辅助扭矩机构540。
转向***520例如具有方向盘521、转向轴522(也称作“转向柱”。)、万向联轴器523A、523B、旋转轴524(也称作“小齿轮轴”或“输入轴”。)、齿轮齿条副机构525、齿条轴526、左右的球窝接头552A、552B、拉杆527A、527B、转向节528A、528B、和左右的转向车轮(例如左右的前轮)529A、529B。方向盘521经由转向轴522和万向联轴器523A、523B而与旋转轴524联结。在旋转轴524上经由齿轮齿条副机构525而联结齿条轴526。齿轮齿条副机构525具有在旋转轴524上设置的小齿轮531和在齿条轴526上设置的齿条532。在齿条轴526的右端依次经由球窝接头552A、拉杆527A和转向节528A而联结右侧的转向车轮529A。与右侧同样，在齿条轴526的左端依次经由球窝接头552B、拉杆527B和转向节528B而联结左侧的转向车轮529B。这里，右侧和左侧分别与坐在座席上的驾驶员观察到的右侧和左侧一致。
根据转向***520，驾驶员对方向盘521进行操作，从而产生转向扭矩，该转向扭矩经由齿轮齿条副机构525而传递到左右的转向车轮529A、529B。由此，驾驶员能够操作左右的转向车轮529A、529B。
辅助扭矩机构540例如具有转向扭矩传感器541、ECU 542、马达543、减速机构544和电力转换装置545。辅助扭矩机构540将辅助扭矩提供给从方向盘521至左右的转向车轮529A、529B的转向***520。另外，辅助扭矩有时也称作“附加扭矩”。
作为ECU 542，能够使用实施方式1和2的控制电路300，作为电力转换装置545，能够使用实施方式1和2的电力转换装置100、100A、100B。此外，马达543相当于实施方式1和2中的马达200。作为具有ECU 542、马达543和电力转换装置545的机电一体式单元，能够恰当地使用实施方式1和2的马达驱动单元400。
转向扭矩传感器541检测转向***520的通过方向盘521而被施加的转向扭矩。ECU542根据来自转向扭矩传感器541的检测信号(以下，记载为“扭矩信号”。)而生成用于驱动马达543的驱动信号。马达543根据驱动信号而产生与转向扭矩对应的辅助扭矩。辅助扭矩经由减速机构544而传递到转向***520的旋转轴524。减速机构544例如是蜗轮机构。辅助扭矩还从旋转轴524传递到齿轮齿条副机构525。
电动助力转向装置500能够根据将辅助扭矩施加给转向***520的部位而分类为小齿轮辅助型、齿条辅助型和柱辅助型等。图21示出小齿轮辅助型的电动助力转向装置500。但是，电动助力转向装置500也可以是齿条辅助型、柱辅助型等。
ECU 542中不仅可以输入扭矩信号，例如还可以输入车速信号。外部机器560例如是车速传感器。或者，外部机器560例如也可以是能够利用CAN(Controller Area Network：控制器局域网)等车内网络进行通信的其他ECU。ECU 542的微控制器能够根据扭矩信号、车速信号等对马达543进行矢量控制或PWM控制。
ECU 542至少根据扭矩信号来设定目标电流值。ECU 542优选考虑由车速传感器检测到的车速信号，进而考虑由角度传感器检测到的转子的旋转信号，来设定目标电流值。ECU 542能够以使得由电流传感器(未图示)检测到的实际电流值与目标电流值一致的方式，对马达543的驱动信号、即驱动电流进行控制。
根据电动助力转向装置500，能够利用对驾驶员的转向扭矩加上马达543的辅助扭矩得到的复合扭矩来通过齿条轴526对左右的转向车轮529A、529B进行操作。特别是通过在上述的机电一体式单元中利用本公开的马达驱动单元400，能够提供具有提高部件的质量、并且在正常时和异常时均能够进行适当的电流控制能的马达驱动单元的电动助力转向装置。
(实施方式4)
图22示意地示出本实施方式的继电器模块600的电路结构。
继电器模块600具有第1相分离继电器电路120、第1中性点继电器电路130、第2相分离继电器电路150和第2中性点继电器电路160。继电器模块600能够与对具有三相(U相、V相，W相)的绕组的马达200进行驱动的电力转换装置700连接，该电力转换装置700具有与各相的绕组的一端连接的第1逆变器110和与各相的绕组的另一端连接的第2逆变器140。
继电器模块600在马达200和电力转换装置700之间电连接。第1相分离继电器电路120、第1中性点继电器电路130、第2相分离继电器电路150和第2中性点继电器电路160的各继电器电路的构造与实施方式1中说明的相同。即，第1相分离继电器电路120包含与各相的绕组的一端和第1逆变器110连接的3个FET 121、122和123，第2相分离继电器电路150包含与各相的绕组的另一端和第2逆变器140连接的3个FET 151、152和153。第1中性点继电器电路130包含3个FET 131、132和133，3个FET131、132和133各自的一端与共同的第1节点N1连接，另一端与各相的绕组的一端连接，第2中性点继电器电路160包含3个FET 161、162和163，3个FET161、162和163各自的一端与共同的第2节点N2连接，另一端与各相的绕组的另一端连接。
第1相分离继电器电路120对各相的绕组的一端与第1逆变器110之间的连接和非连接进行切换，第2相分离继电器电路150对各相的绕组的另一端与第2逆变器140之间的连接和非连接进行切换。第1中性点继电器电路130对各相的绕组的一端彼此的连接和非连接进行切换，第2中性点继电器电路160对各相的绕组的另一端彼此的连接和非连接进行切换。
在继电器模块600中，当第1相分离继电器电路120导通时，第1中性点继电器电路130截止，并且，当第1相分离继电器电路120截止时，第1中性点继电器电路130导通。当第2相分离继电器电路150导通时，第2中性点继电器电路160截止，并且，当第2相分离继电器电路150截止时，第2中性点继电器电路160导通。继电器模块600具体而言各继电器电路例如可以由外部控制电路或专用驱动器来控制。外部控制电路例如是实施方式1的控制电路300。在本实施方式中，继电器模块600由控制电路300控制。
在正常时，控制电路300使第1相分离继电器电路120导通而使第1中性点继电器电路130截止，并且，使第2相分离继电器电路150导通而使第2中性点继电器电路160截止。另外，各继电器电路的导通/截止状态和导通/截止状态下的第1和第2逆变器110、140与马达200之间的电连接关系与实施方式1中说明的相同。例如，控制电路300能够通过可得到图5所示的电流波形的PWM控制来控制2个逆变器的各FET的开关动作，从而驱动马达。
在异常时，假设第1逆变器110发生了故障。该情况下，与实施方式1同样，控制电路300使第1相分离继电器电路120截止而使第1中性点继电器电路130导通，并且，使第2相分离继电器电路150导通而使第2中性点继电器电路160截止。在该状态下，通过马达200的各相的绕组的一端彼此的连接，在继电器模块600(具体而言为第1中性点继电器电路130)中构成各相的绕组的中性点。控制电路300在构成了中性点的状态下控制第2逆变器140，从而能够驱动马达200。控制电路300通过可得到例如图7所示的电流波形的PWM控制来控制第2逆变器140的各FET的开关动作。这样，由于能够使用继电器模块600来形成驱动电流的闭环，因此在异常时也能够进行适当的电流控制。
参照图23来说明继电器模块600的电路结构的变形例。
在本实施方式中，继电器模块600具有2个相分离继电器电路和2个中性点继电器电路。然而，本公开不限于此。例如继电器模块600也可以具有第1相分离继电器电路120和第1中性点继电器电路130(一组继电器电路)。换言之，也可以选择设置有用于电力转换装置100的1个逆变器的一组继电器电路的结构。
图23示出具有一组继电器电路的继电器模块600A的电路结构。继电器模块600A连接在第1和第2逆变器110、140中的一方与马达200之间。在图示的例中，将一组继电器电路(即，第1相分离继电器电路120和第1中性点继电器电路130)与第1逆变器110连接。
假设连接有一组继电器电路的逆变器、即第1逆变器发生了故障。该情况下，控制电路300使第1相分离继电器电路120截止而使第1中性点继电器电路130导通。控制电路300通过在构成了中性点的状态下控制第2逆变器140，从而能够驱动马达200。根据该电路结构，能够将故障逆变器从马达200断开，并且，能够使第1节点N1作为中性点来发挥功能。
根据本实施方式，在电力转换装置700的异常时的控制中，能够抑制电力损失，并且，通过形成驱动电流的闭环，能够进行适当的电流控制。
【产业上的可利用性】
本公开的实施方式可以广泛用于吸尘器、吹风机、吊扇、洗衣机、冰箱和电动助力转向装置等具有各种马达的各种设备。
标号说明
100、100A、100B：电力转换装置，101：电源，102：线圈，103：电容器，110：第1逆变器，111H、112H、113H、141H、142H、143H：高端开关元件(FET)，111L、112L、113L、141L、142L、143L：低端开关元件(FET)，111R、112R、113R、141R、142R、143R：分流电阻，120：第1相分离继电器电路，121、122、123：第1相分离继电器(FET)，130：第1中性点继电器电路，131、132、133：第1中性点继电器(FET)，140：第2逆变器，150：第2相分离继电器电路，151、152、153：第2相分离继电器(FET)，160：第2中性点继电器电路，161、162、163：第2中性点继电器(FET)，170：电流传感器，171、172、173、174、175、176：管脚，181、182、183：H桥，200：电动马达，300：控制电路，310：电源电路，320：角度传感器，330：输入电路，340：微控制器，350：驱动电路，360：ROM，400：马达驱动单元，500：电动助力转向装置，600、600A：继电器模块。

Claims (33)

1.一种电力转换装置，其将来自电源的电力转换为对具有n相的绕组的电动马达提供的电力，其中，n为3以上的整数，该电力转换装置具有：
第1逆变器，其与所述电动马达的各相的绕组的一端连接；
第2逆变器，其与所述各相的绕组的另一端连接；
第1相分离继电器电路，其对所述各相的绕组的一端与所述第1逆变器之间的连接和非连接进行切换；以及
第1中性点继电器电路，其与所述各相的绕组的一端连接，并且对所述各相的绕组的一端彼此的连接和非连接进行切换。
2.根据权利要求1所述的电力转换装置，其中，
当所述第1相分离继电器电路导通时，所述第1中性点继电器电路截止，并且当所述第1相分离继电器电路截止时，所述第1中性点继电器电路导通。
3.根据权利要求2所述的电力转换装置，其中，
当所述第1相分离继电器电路截止而所述第1中性点继电器电路导通时，通过所述各相的绕组的一端彼此的连接而构成所述各相的绕组的中性点。
4.根据权利要求3所述的电力转换装置，其中，
当所述第1逆变器发生异常时，所述第1相分离继电器电路截止而所述第1中性点继电器电路导通。
5.根据权利要求3所述的电力转换装置，其中，
所述电力转换装置还具有：
第2相分离继电器电路，其对所述各相的绕组的另一端与所述第2逆变器之间的连接和非连接进行切换；以及
第2中性点继电器电路，其与所述各相的绕组的另一端连接，并且对所述各相的绕组的另一端彼此的连接和非连接进行切换。
6.根据权利要求5所述的电力转换装置，其中，
当所述第2相分离继电器电路导通时，所述第2中性点继电器电路截止，并且当所述第2相分离继电器电路截止时，所述第2中性点继电器电路导通。
7.根据权利要求6所述的电力转换装置，其中，
当所述第1逆变器发生异常时，所述第1相分离继电器电路截止而所述第1中性点继电器电路导通，并且所述第2相分离继电器电路导通而所述第2中性点继电器电路截止。
8.根据权利要求5至7中的任意一项所述的电力转换装置，其中，
所述第1相分离继电器电路包含与所述各相的绕组的一端和所述第1逆变器连接的n个第1相分离继电器，所述第2相分离继电器电路包含与所述各相的绕组的另一端和所述第2逆变器连接的n个第2相分离继电器，
所述第1中性点继电器电路包含n个第1中性点继电器，该n个第1中性点继电器各自的一端与共同的第1节点连接，另一端与所述各相的绕组的一端连接，所述第2中性点继电器电路包含n个第2中性点继电器，所述n个第2中性点继电器各自的一端与共同的第2节点连接，另一端与所述各相的绕组的另一端连接。
9.根据权利要求8所述的电力转换装置，其中，
当所述第1逆变器的桥电路包含发生了故障的开关元件时，所述第1相分离继电器电路中的n个第1相分离继电器全部截止，所述第1中性点继电器电路中的n个第1中性点继电器全部导通，并且所述第2相分离继电器电路中的n个第2相分离继电器全部导通，所述第2中性点继电器电路中的n个第2中性点继电器全部截止。
10.根据权利要求1至9中的任意一项所述的电力转换装置，其中，
所述电力转换装置还具有2n个以下的分流电阻。
11.根据权利要求10所述的电力转换装置，其中，
所述第1逆变器的桥电路和所述第2逆变器的桥电路分别具备具有低端开关元件和高端开关元件的n个管脚，
所述2n个以下的分流电阻被连接在所述第1逆变器和所述第2逆变器所具有的2n个管脚中的2n个以下的低端开关元件与接地之间。
12.根据权利要求1至9中的任意一项所述的电力转换装置，其中，
所述电力转换装置还具有2n个分流电阻，
所述第1逆变器的桥电路和所述第2逆变器的桥电路分别具备具有低端开关元件和高端开关元件的n个管脚，
所述2n个分流电阻被连接在所述第1逆变器和所述第2逆变器所具有的2n个管脚的2n个低端开关元件与接地之间。
13.一种马达驱动单元，该马达驱动单元具有：
电动马达；
权利要求1至12中的任意一项所述的电力转换装置；以及
对所述电力转换装置进行控制的控制电路。
14.一种电动助力转向装置，其中，
该电动助力转向装置具有权利要求13所述的马达驱动单元。
15.一种继电器模块，其能够与电力转换装置连接，该电力转换装置对具有n相的绕组的电动马达进行驱动，具有与各相的绕组的一端连接的第1逆变器和与所述各相的绕组的另一端连接的第2逆变器，其中，n为3以上的整数，该继电器模块具有：
第1相分离继电器电路，其对所述各相的绕组的一端与所述第1逆变器之间的连接和非连接进行切换；以及
第1中性点继电器电路，其与所述各相的绕组的一端连接，并且对所述各相的绕组的一端彼此的连接和非连接进行切换。
16.根据权利要求15所述的继电器模块，其中，
当所述第1相分离继电器电路导通时，所述第1中性点继电器电路截止，并且当所述第1相分离继电器电路截止时，所述第1中性点继电器电路导通。
17.根据权利要求16所述的继电器模块，其中，
当所述第1相分离继电器电路截止而所述第1中性点继电器电路导通时，通过所述各相的绕组的一端彼此的连接而构成所述各相的绕组的中性点。
18.根据权利要求17所述的继电器模块，其中，
当所述第1逆变器发生异常时，所述第1相分离继电器电路截止而所述第1中性点继电器电路导通。
19.根据权利要求17所述的继电器模块，其中，
所述继电器模块还具有：
第2相分离继电器电路，其对所述各相的绕组的另一端与所述第2逆变器之间的连接和非连接进行切换；以及
第2中性点继电器电路，其与所述各相的绕组的另一端连接，并且对所述各相的绕组的另一端彼此的连接和非连接进行切换。
20.根据权利要求19所述的继电器模块，其中，
当所述第2相分离继电器电路导通时，所述第2中性点继电器电路截止，并且当所述第2相分离继电器电路截止时，所述第2中性点继电器电路导通。
21.根据权利要求20所述的继电器模块，其中，
当所述第1逆变器发生异常时，所述第1相分离继电器电路截止而所述第1中性点继电器电路导通，并且所述第2相分离继电器电路导通而所述第2中性点继电器电路截止。
22.根据权利要求19至21中的任意一项所述的继电器模块，其中，
所述第1相分离继电器电路包含与所述各相的绕组的一端和所述第1逆变器连接的n个第1相分离继电器，所述第2相分离继电器电路包含与所述各相的绕组的另一端和所述第2逆变器连接的n个第2相分离继电器，
所述第1中性点继电器电路包含n个第1中性点继电器，所述n个第1中性点继电器各自的一端与共同的第1节点连接，另一端与所述各相的绕组的一端连接，所述第2中性点继电器电路包含n个第2中性点继电器，所述n个第2中性点继电器各自的一端与共同的第2节点连接，另一端与所述各相的绕组的另一端连接。
23.一种电力转换装置，其将来自电源的电力转换为对具有n相的绕组的马达提供的电力，其中，n为3以上的整数，该电力转换装置具有：
第1逆变器，其与所述马达的各相的绕组的一端连接；
第2逆变器，其与所述各相的绕组的另一端连接；以及
至少n个继电器，其对所述n相的绕组的一端与所述第1逆变器之间的连接和非连接进行切换。
24.根据权利要求23所述的电力转换装置，其中，
所述第1逆变器和所述第2逆变器在正常时通过n相通电控制将来自所述电源的电力转换为对所述马达提供的电力，
在所述第1逆变器和所述第2逆变器所包含的多个开关元件中的至少1个开关元件发生了故障的情况下，
所述第1逆变器和所述第2逆变器通过m相通电控制将来自所述电源的电力转换为对所述马达提供的电力，其中，该m相通电控制使用所述n相中的与发生了故障的所述开关元件所连接的绕组的相不同的其他m相，其中，m为2以上且小于n的整数。
25.根据权利要求24所述的电力转换装置，其中，
在所述第1逆变器和所述第2逆变器所包含的多个开关元件中的至少1个开关元件发生了故障的情况下，
使所述至少n个继电器中的如下继电器截止，该继电器是对发生了故障的所述开关元件所连接的绕组和所述第1逆变器之间的连接和非连接进行切换的继电器，
与截止的所述继电器不同的至少m个所述继电器导通。
26.根据权利要求24或25所述的电力转换装置，其中，
所述第1逆变器和所述第2逆变器分别具有n个包含低端开关元件和高端开关元件的管脚。
27.根据权利要求24至26中的任意一项所述的电力转换装置，其中，
所述多个开关元件在所述第1逆变器和所述第2逆变器之间构成多个H桥。
28.根据权利要求24至27中的任意一项所述的电力转换装置，其中，
在所述第1逆变器中包含的开关元件发生了故障的情况下，
使用与发生了故障的管脚以及与所述发生了故障的管脚构成H桥的所述第2逆变器的管脚不同的其他2m个管脚，将来自所述电源的电力转换为对所述马达提供的电力，其中，该发生了故障的管脚包含发生了故障的所述开关元件。
29.根据权利要求24至28中的任意一项所述的电力转换装置，其中，
所述电力转换装置还具有对所述第1逆变器和所述第2逆变器进行n相通电控制的控制电路，
在所述第1逆变器和所述第2逆变器所包含的多个开关元件中的至少1个开关元件发生了故障的情况下，
所述控制电路将所述第1逆变器和所述第2逆变器的控制从所述n相通电控制变更为所述m相通电控制。
30.根据权利要求23至29中的任意一项所述的电力转换装置，其中，
所述电力转换装置还具有对所述n相的绕组的另一端与所述第2逆变器之间的连接和非连接进行切换的n个继电器。
31.根据权利要求23至30中的任意一项所述的电力转换装置，其中，
所述马达具有三相的绕组，
所述第1逆变器和所述第2逆变器在正常时通过三相通电控制将来自所述电源的电力转换为对所述马达提供的电力，
在所述第1逆变器和所述第2逆变器所包含的多个开关元件中的至少1个开关元件发生了故障的情况下，
所述第1逆变器和所述第2逆变器通过二相通电控制将来自所述电源的电力转换为对所述马达提供的电力，其中，该二相通电控制使用所述三相中的与发生了故障的所述开关元件所连接的绕组的相不同的其他二相。
32.一种马达驱动单元，该马达驱动单元具有：
权利要求23至31中的任意一项所述的电力转换装置；
所述马达；以及
对所述电力转换装置进行控制的控制电路。
33.一种电动助力转向装置，
该电动助力转向装置具有权利要求32所述的马达驱动单元。
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