CN114556775A - 马达驱动***以及空调机 - Google Patents

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Abstract

本发明所涉及的马达驱动***(100)具备：逆变器(2)，驱动马达(30)；电流检测部(3)，检测在逆变器(2)中流动的电流的电流值亦即第1信号，并输出第1信号；第1低通滤波器(4)，从第1信号去除噪声频率成分，并输出去除了噪声频率成分的电流值亦即第2信号；退磁电流判定部(5)，比较马达(30)所具有的永磁铁发生退磁的电流值亦即退磁电流阈值和第2信号，在第2信号取比退磁电流阈值大的值的情况下，输出退磁保护信号；短路判定部(7)，对将第1信号和退磁保护信号相加而得的第3信号、与在逆变器(2)发生了短路时所流动的电流的电流值以下的短路阈值进行比较，在第3信号取短路阈值以上的值的情况下，输出使逆变器(2)停止的异常信号。

Description

马达驱动***以及空调机
技术领域
本发明涉及保护逆变器所具有的开关元件的马达驱动***以及空调机。
背景技术
作为抑制耗电的马达驱动***，公知有将马达形成为无换向器电动机即无刷DC(Direct Current)马达，并将驱动马达的马达驱动部形成为逆变器的马达驱动***。无换向器电动机由于换向器不磨损，所以与换向器电动机相比，产品寿命长。另外，无换向器电动机由于在转子中不流动电流，所以与感应电动机相比，耗电小。因此，无换向器电动机能够抑制耗电，因此被广泛用于以空调机为代表的产品。
为了保护逆变器所具有的开关元件、保护与逆变器连接的马达、以及保护连接逆变器的电源，通常在逆变器中具备检测过电流的过电流检测单元。
专利文献1公开有一种马达驱动***，该马达驱动***具备在逆变器中流动大电流时保护开关元件的保护单元、和用于保护电源免受大电流的影响的保护单元。
出于保护逆变器的目的，需要在马达驱动***中设置多个过电流检测单元。在逆变器中产生的过电流中，尤其因构成逆变器的开关元件发生短路而产生的过电流，会在短时间内流动有大的电流。因此，在因开关元件发生短路而产生过电流的情况下，应最迅速地停止逆变器。另外，在设置有多个过电流检测单元的情况下，可考虑组合对该短路的保护、和对其他电流的保护。
专利文献1：日本特开2013-81285号公报
在以往的针对过电流的保护中，若设置多个过电流检测单元，则需要多个异常信号的输出线。例如，在将异常信号传递到开关元件的栅极驱动信号生成电路的情况下，有时无法连接多个异常信号线。另外，即使在将异常信号传递到作为马达驱动***的控制部的微型计算机的情况下，由于微型计算机的端口数量有限，所以有时也希望将所使用的端口限制在最小限度。
发明内容
本发明是鉴于上述情况而做出的，目的在于得到一种能够通过一个异常信号输出线，传递来自多个过电流检测单元的异常信号的马达驱动***。
为了解决上述课题，并实现目的，本发明所涉及的马达驱动***具备：逆变器，驱动马达；电流检测部，检测在逆变器中流动的电流的电流值亦即第1信号，并输出第1信号；第1低通滤波器，从第1信号去除噪声频率成分，并输出去除了噪声频率成分的电流值亦即第2信号；退磁电流判定部，比较马达所具有的永磁铁发生退磁的电流值亦即退磁电流阈值和第2信号，在第2信号取比退磁电流阈值大的值的情况下，输出退磁保护信号；短路判定部，对将第1信号和退磁保护信号相加而成的第3信号与在逆变器发生了短路时所流动的电流的电流值以下的短路阈值进行比较，在第3信号取短路阈值以上的值的情况下，输出使逆变器停止的异常信号。
根据本发明，起到如下效果：能够得到能够通过一个异常信号输出线传递来自多个过电流检测单元的异常信号的马达驱动***。
附图说明
图1是表示本发明的实施方式1所涉及的马达驱动***的第1图。
图2是表示本发明的实施方式1所涉及的控制电路的构成例的图。
图3是表示本发明的实施方式1所涉及的开关元件的短路电流值与马达的过电流值的关系的图。
图4是表示本发明的实施方式1所涉及的马达驱动***的第2图。
图5是表示本发明的实施方式1所涉及的马达驱动***的第3图。
图6是表示本发明的实施方式2所涉及的马达驱动***的图。
图7是表示本发明的实施方式2所涉及的逆变器的短路电流、马达的退磁电流以及模块过电流的值的大小关系、和应该停止逆变器的时间的关系的图。
图8是表示本发明的实施方式2所涉及的电流值大于短路阈值时的逆变器的电流值的图。
图9是表示本发明的实施方式2所涉及的电流值大于退磁电流阈值时的逆变器的电流值的图。
图10是表示本发明的实施方式2所涉及的电流值大于过电流阈值时的逆变器的电流值的图。
具体实施方式
以下，基于附图对本发明的实施方式所涉及的马达驱动***以及空调机详细地进行说明。此外，本发明并不限定于该实施方式。
实施方式1
图1是表示本发明的实施方式1所涉及的马达驱动***100的第1图。马达驱动***100具备整流电路1、逆变器2、电流检测部3、第1低通滤波器4、退磁电流判定部5、退磁电流阈值保持部6、短路判定部7以及短路阈值保持部8。
整流电路1具有桥接的4个二极管11～14和电容器15。整流电路1使用二极管11～14和电容器15将从交流电源60输出的交流电压整流为直流电压，并将整流后的直流电压施加于逆变器2。逆变器2具备6个开关元件21～26，将直流电压转换为交流电压，并将交流电压施加于马达30。对于各个开关元件21～26，在不区分表示时，称为开关元件20。
虽然开关元件21～26例示为由硅系材料形成的MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor：金属氧化物半导体场效应晶体管)，但开关元件21～26并不限定于MOSFET，也可以为由碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、氧化镓(Ga2O3)或金刚石之类的宽带隙(Wide Band Gap：WBG)半导体形成的MOSFET。通常宽带隙半导体比硅半导体的耐电压以及耐热性高。因此，通过对开关元件21～26中的至少一个使用宽带隙半导体，能够使开关元件的耐电压性以及容许电流密度变高，从而能够使组装了开关元件的半导体模块小型化。
电流检测部3与逆变器2连接，检测在逆变器2中流动的电流值。另外，电流检测部3将检测到的电流值的信息经由第1低通滤波器4向退磁电流判定部5输出。另外，电流检测部3将电流值的信息经由二极管16向短路判定部7输出。
第1低通滤波器4从电流值的信息中去除噪声频率成分，将去除噪声频率成分后的电流值的信息向退磁电流判定部5输出。退磁电流判定部5使用退磁电流阈值和电流值的信息，在电流值的信息为比退磁电流阈值大的值的情况下，将退磁保护信号经由二极管17向短路判定部7输出。退磁电流阈值保持部6保持退磁电流阈值。所谓退磁电流阈值是指马达30所具有的永磁铁退磁时的在马达30中流动的电流值。
短路判定部7使用电流值的信息和短路阈值，在电流值的信息为短路阈值以上的情况下，向未图示的驱动信号生成部、或控制马达驱动***100的未图示的控制部输出异常信号。所谓异常信号是指控制逆变器2所具有的开关元件21～26的动作的信号，通过使短路判定部7输出异常信号，能够在马达驱动***100的异常时停止逆变器2的动作。短路阈值保持部8保持短路阈值。所谓短路阈值是指逆变器2在短路时所流动的电流的电流值以下的值。
对本发明的实施方式所涉及的电流检测部3、退磁电流判定部5、退磁电流阈值保持部6、短路判定部7以及短路阈值保持部8的硬件构成进行说明。退磁电流判定部5以及短路判定部7通过电阻器、电容器、二极管、比较器、或它们的组合来实现。短路阈值保持部8以及退磁电流阈值保持部6通过进行各处理的电子电路亦即处理电路来实现。
本发明的实施方式所涉及的处理电路可以为专用的硬件，也可以为具备存储器以及执行储存于存储器中的程序的CPU(Central Processing Unit，中央运算装置)的控制电路。这里，所谓存储器，例如相当于RAM(Random Access Memory：随机存储存储器)、ROM(Read Only Memory：只读存储器)、闪存等非易失性或易失性的半导体存储器等。图2是表示本发明的实施方式1所涉及的控制电路500的构成例的图。在处理电路为专用的硬件的情况下，处理电路例如为ASIC(Application Specific Integrated Circuit：专用集成电路)、FPGA(Field Programmable Gate Array：现场可编程门阵列)、或它们的组合。
如图2所示，控制电路500具备作为CPU的处理器500a和存储器500b。在通过图2所示的控制电路500来实现退磁电流判定部5、退磁电流阈值保持部6、短路判定部7以及短路阈值保持部8的情况下，通过由处理器500a读取并执行存储于存储器500b中的与各处理对应的程序来实现。另外，存储器500b也用作处理器500a所实施的各处理中的临时存储器。此外，退磁电流判定部5以及短路判定部7也可以通过控制电路500来实现。电流检测部3例如为电流传感器。
对短路判定的动作进行说明。在开关元件21～26中的任一个发生了短路时，例如，在开关元件21和开关元件22因误动作而两者同时成为接通的状态时，整流电路1所施加的直流电压发生短路。因此，在逆变器2中流动的电流高速增加。作为向短路判定部7传送电流值的信息的路径，存在两个路径，即经由第1低通滤波器4的路径、和经由防止回流的二极管16的路径。在经由第1低通滤波器4的路径中，产生由第1低通滤波器4引起的延迟。因此，短路判定部7根据从经由未产生延迟的二极管16的路径接受的电流的信息进行短路判定。
短路判定部7比较电流值的信息和短路阈值，在电流值的信息为短路阈值以上的情况下，将异常信号向驱动信号生成部或控制部输出，由此将逆变器2的开关元件21～26全部设为断开的状态，使逆变器2的动作紧急停止。其中，短路阈值设为保证开关元件不发生故障的范围内，所谓的短路SOA(Safe Operating Area：安全工作区)的范围内的值。通过该动作，能够防止在发生意料之外的短路时开关元件20破坏。
接下来，说明退磁电流判定部5的动作。由于马达30具有电感，所以在马达30中流动的电流的增加速度比开关元件21～26的短路时流动的电流的增加速度慢。因此，通过使电流检测部3所输出的电流值的信息通过第1低通滤波器4，来抑制由电流值的信息的噪声导致的误检测。
图3是表示本发明的实施方式1所涉及的开关元件20的短路电流值与马达30的过电流值的关系的图。在图3中，纵轴表示电流值，横轴表示时间。如图3所示，可知因开关元件20短路而产生的逆变器短路电流比在马达30中流动的马达过电流的电流值增加的速度快。另外，可知短路阈值大于退磁电流阈值。
在通过了第1低通滤波器4的电流值的信息大于退磁电流阈值的情况下，退磁电流判定部5将退磁保护信号经由二极管17向短路判定部7输出。这里，退磁保护信号作为比短路阈值大的值被输出，并被输入到短路判定部7。因此，短路判定部7输出异常信号，将逆变器2所具有的开关元件21～26全部设为断开的状态，使逆变器2的动作紧急停止。其中，退磁电流阈值被设定为马达30的退磁电流值以下。通过该动作，能够保护马达30所具有的永磁铁免受意料之外的退磁的影响。
图4是表示本发明的实施方式1所涉及的马达驱动***100a的第2图。在马达驱动***100a中，退磁电流判定部5、退磁电流阈值保持部6、短路判定部7以及短路阈值保持部8设置于逆变器模块40，该逆变器模块40具备逆变器2。另外，退磁电流判定部5不是向短路判定部7输出退磁保护信号，而是向驱动信号生成部41输出异常信号。图5是表示本发明的实施方式1所涉及的马达驱动***100b的第3图。在马达驱动***100b中，短路判定部7和短路阈值保持部8设置于逆变器模块40。这样，在实施方式1中，如图4、图5所示，也可以将短路判定部7、退磁电流判定部5这两个或其中任一个设置于逆变器模块40。此外，在图4以及图5中，短路判定部7构成为向驱动信号生成部41输出异常信号。驱动信号生成部41通过控制部42的控制而生成驱动信号。
如以上说明的那样，在本发明的实施方式1中，马达驱动***100具备：逆变器2，驱动马达30；电流检测部3，检测在逆变器2中流动的电流的电流值亦即第1信号，并输出第1信号；第1低通滤波器4，从第1信号去除噪声频率成分，并输出去除了噪声频率成分的电流值亦即第2信号；退磁电流判定部5，比较马达30所具有的永磁铁退磁的电流值亦即退磁电流阈值和第2信号，在第2信号取比退磁电流阈值大的值的情况下，输出退磁保护信号；以及短路判定部7，对将第1信号和退磁保护信号相加而得的第3信号、与在逆变器发生了短路时所流动的电流的电流值以下的短路阈值进行比较，在第3信号取短路阈值以上的值的情况下，输出使逆变器2停止的异常信号。因此，马达驱动***100能够通过输出一个异常信号来实现发生短路时的开关元件20的保护、和保护马达30不受退磁影响。
实施方式2
在实施方式1中，虽然保护马达驱动***100免受短路电流以及退磁电流影响，但在实施方式2中，在此基础上，马达驱动***100c还保护具备逆变器2的逆变器模块免受过电流影响。其中，对于具有与实施方式1相同的功能的构成要素标注与实施方式1相同的附图标记，并省略重复的说明。
图6是表示本发明的实施方式2所涉及的马达驱动***100c的图。马达驱动***100c在实施方式1的构成的基础上，还具备第2低通滤波器31、模块过电流判定部32以及模块过电流阈值保持部33。模块过电流判定部32使用电流值的信息和模块过电流阈值，在电流值的信息大于模块过电流阈值的情况下，判定为在逆变器模块中流动有过电流，并经由二极管18将过电流信号向短路判定部7输出。所谓模块过电流阈值是指用于判定在逆变器模块40中流动有过电流的电流值。模块过电流阈值保持部33保持模块过电流阈值。第2低通滤波器31与模块过电流判定部32的前级连接。另外，第2低通滤波器31的时间常数大于第1低通滤波器4的时间常数。
对模块过电流判定部32的动作进行说明。在逆变器模块中，规定有能够保证动作的电流的上限值亦即额定电流值，基本上需要使该额定电流值以下的电流在逆变器模块中流动。但是，即使瞬间超过了额定电流值，逆变器模块也能够承受。因此，逆变器模块的额定电流值小于退磁电流值。虽然在电流急剧上升而达到退磁电流值时，产生超过模块的额定电流的期间，但如果该期间短，则作为逆变器模块能够承受。但是，在超过模块的额定电流的期间比预先决定的期间长的情况下，需要停止逆变器2的通电。
图7是表示本发明的实施方式2所涉及的逆变器2的短路电流、马达30的退磁电流以及模块过电流的值的大小关系、和应该停止逆变器2的时间的关系的图。如图7所示，可知模块过电流比马达过电流的电流值增加的速度慢。另外，可知过电流阈值小于退磁电流阈值。
图8是表示在本发明的实施方式2所涉及的电流值大于短路阈值时的逆变器2的电流值的图。图9是表示本发明的实施方式2所涉及的电流值大于退磁电流阈值时的逆变器2的电流值的图。图10是表示本发明的实施方式2所涉及的电流值大于过电流阈值时的逆变器2的电流值的图。图8～10分别以纵轴表示电流值，以横轴表示时间。如图8所示，在发生了短路的情况下，逆变器2的电流值急剧增加，在早期成为与短路阈值相同的值。如图9所示，在电流值超过退磁电流阈值的情况下，逆变器2的电流值比发生了短路的情况缓慢地增加，并且超过退磁电流阈值。如图10所示，在电流值超过过电流阈值的情况下，逆变器2的电流值缓慢增加，并且超过过电流阈值。
对第2低通滤波器31进行说明。第2低通滤波器31的时间常数比第1低通滤波器4的时间常数长。由此，模块过电流判定部32在逆变器2中流动的电流在短时间超过模块过电流阈值的情况下，不输出异常信号，但在超过模块过电流阈值的时间变长的情况下，短路判定部7输出异常信号。
由于模块过电流判定部32所输出的过电流信号大于短路判定部7的阈值，因此若存在过电流信号的输入，则短路判定部7输出异常信号，将逆变器2的开关元件20全部设为断开的状态，紧急停止动作。除了短路保护以及退磁保护以外，还能够保护模块免受过电流的影响。
如以上说明的那样，本发明的实施方式2所涉及的马达驱动***100c在马达驱动***100的构成的基础上，还具备：第2低通滤波器31，从第1信号去除噪声频率成分，并输出去除了噪声频率成分的电流值亦即第4信号，时间常数比第1低通滤波器4长；模块过电流判定部32，比较第4信号、和能够保证具备逆变器2的逆变器模块40的动作的电流的上限值亦即模块过电流阈值，在第4信号取比模块过电流阈值大的值的情况下，输出过电流信号，短路判定部7使用过电流信号，输出使逆变器2停止的异常信号。
此外，在实施方式1以及2中，模块过电流判定部32、退磁电流判定部5以及短路判定部7也可以在电子基板上构成为电路。另外，也可以将模块过电流判定部32、退磁电流判定部5以及短路判定部7、或这些中的至少一个判定部构成在作为控制部42的微型计算机内、或逆变器模块40内。通过在逆变器模块40内构成模块过电流判定部32、退磁电流判定部5以及短路判定部7、或这些中的至少一个判定部，能够消除电路面积。另外，通过在逆变器模块40内构成模块过电流判定部32、退磁电流判定部5以及短路判定部7、或这些中的至少一个判定部，能够抑制来自逆变器模块40的外部的噪声的影响，从而能够提高耐噪声性。
在实施方式1以及2中，与逆变器2连接的马达30也可以为使空调机的压缩机或风扇动作的马达。
以上实施方式所示的构成是表示本发明的内容的一个例子，也可以与其它公知的技术组合，也可以在不脱离本发明的主旨的范围内，省略、变更构成的一部分。
附图标记说明
1...整流电路；2...逆变器；3...电流检测部；4...第1低通滤波器；5...退磁电流判定部；6...退磁电流阈值保持部；7...短路判定部；8...短路阈值保持部；11～14、16～18...二极管；15...电容器；20～26...开关元件；30...马达；31...第2低通滤波器；32...模块过电流判定部；33...模块过电流阈值保持部；40...逆变器模块；41...驱动信号生成部；42...控制部；60...交流电源；100、100a、100b、100c...马达驱动***；500...控制电路；500a...处理器；500b...存储器。

Claims (8)

1.一种马达驱动***，其特征在于，
具备：
逆变器，驱动马达；
电流检测部，检测在所述逆变器中流动的电流的电流值亦即第1信号，并输出所述第1信号；
第1低通滤波器，从所述第1信号去除噪声频率成分，并输出去除了所述噪声频率成分的电流值亦即第2信号；
退磁电流判定部，比较所述马达所具有的永磁铁发生退磁的电流值亦即退磁电流阈值和所述第2信号，在所述第2信号取比所述退磁电流阈值大的值的情况下，输出退磁保护信号；以及
短路判定部，对将所述第1信号和所述退磁保护信号相加而得的第3信号、与在所述逆变器发生了短路时所流动的电流的电流值以下的短路阈值进行比较，在所述第3信号取所述短路阈值以上的值的情况下，输出使所述逆变器停止的异常信号。
2.根据权利要求1所述的马达驱动***，其特征在于，
所述马达驱动***具备：
第2低通滤波器，从所述第1信号去除噪声频率成分，并输出去除了所述噪声频率成分的电流值亦即第4信号，时间常数比所述第1低通滤波器长；以及
模块过电流判定部，比较所述第4信号、和能够保证具备所述逆变器的逆变器模块的动作的电流的上限值亦即模块过电流阈值，在所述第4信号取比模块过电流阈值大的值的情况下，输出过电流信号，
所述短路判定部使用所述过电流信号输出使所述逆变器停止的异常信号。
3.根据权利要求1或2所述的马达驱动***，其特征在于，
所述马达驱动***具备驱动信号生成部，该驱动信号生成部生成对所述逆变器所具备的多个开关元件进行控制的驱动信号，
所述驱动信号生成部若被输入所述异常信号则使所述逆变器的动作停止。
4.根据权利要求3所述的马达驱动***，其特征在于，
所述马达驱动***具备控制所述驱动信号生成部的控制部，
所述控制部若被输入所述异常信号则使所述逆变器的动作停止。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的马达驱动***，其特征在于，所述退磁电流判定部设置于所述逆变器的逆变器模块。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的马达驱动***，其特征在于，所述短路判定部设置于所述逆变器的逆变器模块。
7.根据权利要求1～6中任一项所述的马达驱动***，其特征在于，所述逆变器所具备的多个开关元件为宽带隙半导体。
8.一种空调机，其特征在于，
具备权利要求1～7中任一项所述的马达驱动***。
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