DE112017000686T5

DE112017000686T5 - Leistungsumwandlungsvorrichtung, motorantriebseinheit und elektrische servolenkungsvorrichtung

Info

Publication number: DE112017000686T5
Application number: DE112017000686.4T
Authority: DE
Inventors: Takashi Kitamura; Eiji Wada
Original assignee: Nidec Corp
Current assignee: Nidec Corp
Priority date: 2016-03-04
Filing date: 2017-03-01
Publication date: 2018-10-18
Also published as: JPWO2017150640A1; CN109104887B; JPWO2017150641A1; US10778084B2; WO2017150641A1; CN109104896B; US11431238B2; WO2017150640A1; JP6933205B2; US20190097522A1; US20180375457A1; CN109104896A; DE112017001146T5; CN114567192A; CN109104887A

Abstract

Eine Leistungsumwandlungsvorrichtung (100) ist mit Folgendem versehen: einem ersten Inverter (120), der mit einem Ende einer Wicklung (M1, M2 und M3) jeder Phase eines Motors verbunden ist; einem zweiten Inverter (130), der mit dem anderen Ende der Wicklung jeder Phase verbunden ist; und einer Umschaltschaltung (110), die zumindest entweder ein erstes Umschaltelement (111), das eine Verbindung/Trennung zwischen dem ersten Inverter und einer Masse umschaltet und mit dem eine erste Schutzschaltung (PC1) parallel verbunden ist, und/oder ein zweites Umschaltelement (112), das eine Verbindung/Trennung zwischen dem zweiten Inverter und der Masse umschaltet und mit dem eine zweite Schutzschaltung (PC2) parallel verbunden ist, aufweist.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf Leistungsumwandlungsvorrichtungen zum Umwandeln von Leistung von einer Leistungsversorgung in Leistung, die einem Elektromotor zuzuführen ist, auf Motorantriebseinheiten und auf elektrische Servolenkungsvorrichtungen.
STAND DER TECHNIK
Elektromotoren (nachfolgend einfach als „Motoren“ bezeichnet) wie bürstenlose Gleichstrommotoren und Wechselstromsynchronmotoren werden für gewöhnlich durch Dreiphasenströme angetrieben. Eine komplizierte Steuertechnik wie etwa eine Vektorsteuerung ist erforderlich, um die Wellenformen der Dreiphasenströme genau zu steuern. Solch eine Steuertechnik erfordert komplizierte mathematische Berechnungen und wird daher unter Verwendung einer digitalen Rechenschaltung wie etwa einer Mikrosteuerung (Mikrocomputer) durchgeführt. Die Vektorsteuertechnik wird in den Anwendungsbereichen eingesetzt, in denen die Last an einen Motor erheblich variiert, z. B. bei Waschmaschinen, motorisierten Fahrrädern, Elektrorollern, elektrischen Servolenkungsvorrichtungen, Elektrofahrzeugen und industrieller Ausrüstung. Unterdessen werden andere Motorsteuertechniken wie etwa die Pulsweitenmodulation (PWM) für Motoren mit relativ geringer Leistungsabgabe verwendet.
Im Bereich der fahrzeugmontierten Vorrichtungen wird in einem Fahrzeug eine elektronische Fahrzeugsteuereinheit (ECU, Electronic Control Unit) verwendet. Die ECU umfasst eine Mikrosteuerung, eine Leistungsversorgung, eine Eingangs-/Ausgangsschaltung, einen A/D-Wandler, eine Lastantriebsschaltung und einen Nur-Lese-Speicher (ROM, Read-Only Memory), usw. Ein elektronisches Steuersystem ist unter Verwendung der ECU als eine Hauptkomponente aufgebaut. Beispielsweise verarbeitet die ECU ein Signal von einem Sensor, um einen Aktor wie etwa einen Motor zu steuern. Genauer gesagt steuert die ECU einen Inverter in einer Leistungsumwandlungsvorrichtung, während dieselbe die Drehzahl oder das Drehmoment eines Motors überwacht. Die Leistungsumwandlungsvorrichtung wandelt unter der Steuerung der ECU eine Antriebsleistung um, die dem Motor zuzuführen ist.
In den letzten Jahren wurde ein mechanisch und elektronisch integrierter Motor entwickelt, bei dem ein Motor, eine Leistungsumwandlungsvorrichtung und eine ECU gemeinsam integriert sind. Insbesondere in dem Bereich der fahrzeugmontierten Vorrichtungen muss eine hohe Qualität für die Sicherheit gewährleistet sein. Daher wird eine fehlertolerante Ausführung verwendet, um zu ermöglichen, dass das Motorsystem auch bei Ausfall eines Teils des Motorsystems einen sicheren Betrieb fortsetzt. Als Beispiel einer solchen fehlertoleranten Ausführung kann ein einzelner Motor mit zwei Leistungsumwandlungsvorrichtungen versehen sein. Als weiteres Beispiel kann die ECU zusätzlich zu einer Hauptmikrosteuerung mit einer Zweitmikrosteuerung versehen sein.
Beispielsweise beschreibt das Patentdokument Nr. 1 eine Leistungsumwandlungsvorrichtung zum Umwandeln von Leistung, die einem Dreiphasenmotor zuzuführen ist, wobei die Vorrichtung eine Steuereinheit und zwei Inverter umfasst. Die zwei Inverter sind jeweils mit einer Leistungsversorgung und einer Masse (im Folgenden als „GND“ bezeichnet) gekoppelt. Einer der zwei Inverter ist mit einem Ende jeder der Dreiphasenwicklungen des Motors gekoppelt und der andere Inverter ist mit dem anderen Ende jeder der Dreiphasenwicklungen gekoppelt. Jeder Inverter umfasst eine Brückenschaltung, die drei Schenkel umfasst, von denen jeder ein hochseitiges Umschaltelement und ein tiefseitiges Umschaltelement umfasst. Die Steuereinheit schaltet beim Detektieren eines Ausfalls in einem Umschaltelement in den zwei Invertern die Steuerung des Motors von einer Steuerung unter normalen Bedingungen zu einer Steuerung unter anomalen Bedingungen um. Wie hierin verwendet, beschreibt der Ausdruck „anomale Bedingungen“ hauptsächlich, dass ein Umschaltelement ausgefallen ist. Der Ausdruck „Steuerung unter normalen Bedingungen“ beschreibt eine Steuerung, die ausgeführt wird, wenn alle Umschaltelemente normal in Betrieb sind. Der Ausdruck „Steuerung unter anomalen Bedingungen“ beschreibt eine Steuerung, die bei einem Ausfall in einem Umschaltelement ausgeführt wird.
Die unter normalen Bedingungen erfolgende Steuerung weist einen Steuermodus auf, in dem einer der zwei Inverter dazu verwendet wird, einen Motor anzutreiben, wobei in dem anderen Inverter ein Nullpunkt gebildet wird, und weist einen anderen Steuermodus auf, in dem ein Motor angetrieben wird, indem die Umschaltelemente der zwei Inverter ein- und ausgeschaltet werden. Die Leistungsumwandlungsvorrichtung der Patentschrift Nr. 1 kann je nach der Drehzahl und dem Abtriebsdrehmoment usw. eines Motors zwischen diesen Modi umschalten.
Bei der Steuerung unter anomalen Bedingungen wird ein Nullpunkt für die Wicklungen durch Ein- und Ausschalten von Umschaltelementen gemäß einer vorbestimmten Regel in einem der zwei Inverter gebildet, der das ausgefallene Umschaltelement umfasst (im Folgenden als „ausgefallener Inverter“ bezeichnet). Gemäß der Regel werden beispielsweise bei einem Leerlaufausfall, bei dem ein hochseitiges Umschaltelement immer ausgeschaltet ist, in der Brückenschaltung des ausgefallenen Inverters die drei hochseitigen Umschaltelemente außer dem ausgefallenen Umschaltelement ausgeschaltet und die drei tiefseitigen Umschaltelemente werden eingeschaltet. In diesem Fall wird der Nullpunkt auf der tiefen Seite gebildet. In dem Fall eines Kurzschlussausfalls, bei dem ein hochseitiges Umschaltelement immer eingeschaltet ist, werden in der Brückenschaltung des ausgefallenen Inverters die drei hochseitigen Umschaltelemente außer dem ausgefallenen Umschaltelement eingeschaltet und die drei tiefseitigen Umschaltelemente werden ausgeschaltet. In diesem Fall wird der Nullpunkt auf der hohen Seite gebildet. In der Leistungsumwandlungsvorrichtung aus Patentdokument Nr. 1 wird der Nullpunkt für die Dreiphasenwicklungen in einem ausgefallenen Inverter unter anomalen Bedingungen gebildet. Selbst in dem Fall eines Ausfalls in einem Umschaltelement kann der Motor weiterhin unter Verwendung eines der Inverter, der normal arbeitet, angetrieben werden.
LISTE DER GENANNTEN DOKUMENTE
PATENTLITERATUR
Patentdokument Nr. 1: Japanische offengelegte Patentveröffentlichung Nr. 2014-192950
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
TECHNISCHE PROBLEMSTELLUNG
Beim obengenannten Stand der Technik besteht ein Bedarf an weiteren Verbesserungen der Stromsteuerung.
Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung stellt eine Leistungsumwandlungsvorrichtung bereit, die eine geeignete Stromsteuerung ausführen kann.
LÖSUNG DER PROBLEMSTELLUNG
Eine beispielhafte Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung zum Umwandeln von Leistung von einer Leistungsversorgung in Leistung, die einem Motor mit n Phasenwicklungen (n = eine Ganzzahl von drei oder mehr) zuzuführen ist, umfasst einen ersten Inverter, mit dem ein Ende jeder Phasenwicklung des Motors gekoppelt ist, einen zweiten Inverter, mit dem das andere Ende jeder Phasenwicklung gekoppelt ist, und eine Umschaltschaltung, die Folgendes aufweist: ein erstes Umschaltelement, das zwischen einer Verbindung und einer Trennung des ersten Inverters mit und von einer Masse umschaltet, eine erste Schutzschaltung, die parallel mit dem ersten Umschaltelement gekoppelt ist, und ein zweites Umschaltelement, das zwischen einer Verbindung und einer Trennung des zweiten Inverters mit und von der Masse umschaltet, eine zweite Schutzschaltung, die parallel mit dem zweiten Umschaltelement gekoppelt ist.
VORTEILHAFTE WIRKUNGEN DER ERFINDUNG
Gemäß dem veranschaulichenden Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung können die Inverter anhand der Umschaltelemente, die parallel mit den jeweiligen Schutzschaltungen gekoppelt sind, mit der Leistungsversorgung und der GND verbunden und von denselben getrennt werden. Folglich sind eine Leistungsumwandlungsvorrichtung, die eine geeignete Stromsteuerung ausführen kann, eine Motorantriebseinheit, die die Leistungsumwandlungsvorrichtung aufweist, und eine elektrische Servolenkungsvorrichtung, die die Motorantriebseinheit aufweist, bereitgestellt.
Figurenliste

1 ist ein Schaltungsdiagramm, das eine Schaltungskonfiguration einer Leistungsumwandlungsvorrichtung 100 gemäß einem veranschaulichenden ersten Ausführungsbeispiel zeigt.
2 ist ein Schaltungsdiagramm, das eine andere Schaltungskonfiguration der Leistungsumwandlungsvorrichtung 100 des veranschaulichenden ersten Ausführungsbeispiels zeigt.
3 ist ein Schaltungsdiagramm, das noch eine andere Schaltungskonfiguration der Leistungsumwandlungsvorrichtung 100 des veranschaulichenden ersten Ausführungsbeispiels zeigt.
4 ist ein Schaltungsdiagramm, das noch eine andere Schaltungskonfiguration der Leistungsumwandlungsvorrichtung 100 des veranschaulichenden ersten Ausführungsbeispiels zeigt.
5 ist ein Blockdiagramm, das eine typische Konfiguration einer Motorantriebseinheit 400 einschließlich der Leistungsumwandlungsvorrichtung 100 zeigt.
6 ist ein Diagramm, das Stromwellenformen (Sinuswellen) zeigt, die dadurch erhalten werden, dass Werte von Strömen grafisch dargestellt werden, die durch eine U-Phase-, eine V-Phase- und eine W-Phase-Wicklung eines Motors 200 fließen, wenn die Leistungsumwandlungsvorrichtung 100 durch die Dreiphasenleitungssteuerung gesteuert wird.
7 ist ein schematisches Diagramm, das Stromflüsse in der Leistungsumwandlungsvorrichtung 100 zeigt, die auftreten, wenn SW (switch elements, Umschaltelemente) von zwei Umschaltschaltungen 110 und FET eines ersten Inverters 120 in einem ersten Zustand sind.
8 ist ein Diagramm, das Stromwellenformen zeigt, die dadurch erhalten werden, dass Werte von Strömen grafisch dargestellt werden, die durch die U-Phase-, V-Phase- und W-Phase-Wicklung des Motors 200 fließen, wenn die Leistungsumwandlungsvorrichtung 100 in dem ersten Zustand gesteuert wird.
9 ist ein schematisches Diagramm, das Stromflüsse in der Leistungsumwandlungsvorrichtung 100 zeigt, die auftreten, wenn die SW der zwei Umschaltschaltungen 110 und die FET des ersten Inverters 120 in einem dritten Zustand sind.
10 ist ein schematisches Diagramm, das Stromflüsse in der Leistungsumwandlungsvorrichtung 100 zeigt, die auftreten, wenn die SW der zwei Umschaltschaltungen 110 und die FET des ersten Inverters 120 in dem dritten Zustand sind.
11 ist ein schematisches Diagramm, das Stromflüsse in der Leistungsumwandlungsvorrichtung 100 zeigt, die auftreten, wenn die SW der zwei Umschaltschaltungen 110 und die FET des ersten Inverters 120 in einem fünften Zustand sind.
12 ist ein schematisches Diagramm, das Stromflüsse in der Leistungsumwandlungsvorrichtung 100 zeigt, die auftreten, wenn die SW der zwei Umschaltschaltungen 110 und die FET des ersten Inverters 120 in einem sechsten Zustand sind.
13 ist ein schematisches Diagramm, das Stromflüsse in der Leistungsumwandlungsvorrichtung 100 zeigt, die auftreten, wenn die SW der zwei Umschaltschaltungen 110 und die FET des ersten Inverters 120 in einem achten Zustand sind.
14A ist ein schematisches Diagramm, das einen weiteren Satz von Ein/Aus-Zuständen von Umschaltelementen zeigt, der einen Nullpunkt bei dem ersten Inverter 120 bildet.
14B ist ein schematisches Diagramm, das einen weiteren Satz von Ein/Aus-Zuständen von Umschaltelementen zeigt, der einen Nullpunkt bei dem ersten Inverter 120 bildet.
14C ist ein schematisches Diagramm, das einen weiteren Satz von Ein/Aus-Zuständen von Umschaltelementen zeigt, der einen Nullpunkt bei dem ersten Inverter 120 bildet.
15A ist ein Schaltungsdiagramm, das eine Schaltungskonfiguration einer Leistungsumwandlungsvorrichtung 100A zeigt, die eine der zwei Umschaltschaltungen 110 umfasst, die eine Leistungsversorgung-seitige Umschaltschaltung ist, die die SW 113 und 114 umfasst.
15B ist ein Schaltungsdiagramm, das eine Schaltungskonfiguration einer Leistungsumwandlungsvorrichtung 100A zeigt, die eine der zwei Umschaltschaltungen 110 umfasst, die eine GND-seitige Umschaltschaltung ist, die die SW 111 und 112 umfasst.
15C ist ein Schaltungsdiagramm, das eine Schaltungskonfiguration einer Leistungsumwandlungsvorrichtung 100A zeigt, die eine Umschaltschaltung 110 umfasst, die eines der Umschaltelemente umfasst, das das SW 113 ist.
15D ist ein Schaltungsdiagramm, das eine Schaltungskonfiguration einer Leistungsumwandlungsvorrichtung 100A zeigt, die eine Umschaltschaltung 110 umfasst, die eines der Umschaltelemente umfasst, das das SW 111 ist.
16A ist ein Schaltungsdiagramm, das eine Schaltungskonfiguration einer Leistungsumwandlungsvorrichtung 100 gemäß einem veranschaulichenden zweiten Ausführungsbeispiel zeigt, die als Schutzschaltung ein Widerstandselement umfasst.
16B ist ein Schaltungsdiagramm, das eine Schaltungskonfiguration einer Leistungsumwandlungsvorrichtung 100B gemäß dem veranschaulichenden zweiten Ausführungsbeispiel zeigt, die als Schutzschaltung ein Widerstandselement umfasst.
16C ist ein Schaltungsdiagramm, das eine Schaltungskonfiguration einer Leistungsumwandlungsvorrichtung 100B gemäß dem veranschaulichenden zweiten Ausführungsbeispiel zeigt, die als Schutzschaltung ein Widerstandselement umfasst.
17 ist ein Schaltungsdiagramm, das eine Schaltungskonfiguration einer Leistungsumwandlungsvorrichtung 100B gemäß dem veranschaulichenden zweiten Ausführungsbeispiel zeigt, die als Schutzschaltung eine RC-Schaltung umfasst.
18A ist ein Schaltungsdiagramm, das eine Schaltungskonfiguration einer Leistungsumwandlungsvorrichtung 100B gemäß dem veranschaulichenden zweiten Ausführungsbeispiel zeigt, die als Schutzschaltungen eine Diode und ein Widerstandselement umfasst.
18B ist ein Schaltungsdiagramm, das eine Schaltungskonfiguration einer Leistungsumwandlungsvorrichtung 100B gemäß dem veranschaulichenden zweiten Ausführungsbeispiel zeigt, die als Schutzschaltungen eine Diode und eine RC-Schaltung umfasst.
19 ist ein Schaltungsdiagramm, das eine Schaltungskonfiguration einer Leistungsumwandlungsvorrichtung 100B gemäß dem veranschaulichenden zweiten Ausführungsbeispiel zeigt, bei der als Schutzschaltungen eine Diode und eine RC-Schaltung nebeneinander vorhanden sind.
20 ist ein Schaltungsdiagramm, das eine Schaltungskonfiguration einer Leistungsumwandlungsvorrichtung 100C gemäß einem veranschaulichenden dritten Ausführungsbeispiel zeigt.
21 ist ein Schaltungsdiagramm, das eine Schaltungskonfiguration einer Leistungsumwandlungsvorrichtung 100C gemäß dem veranschaulichenden dritten Ausführungsbeispiel zeigt, die ferner zwei FET als Schutz vor Reverse Connections (Umkehrverbindungen) umfasst.
22 ist ein Schaltungsdiagramm, das eine weitere Schaltungskonfiguration der Leistungsumwandlungsvorrichtung 100C des veranschaulichenden dritten Ausführungsbeispiels zeigt.
23 ist ein schematisches Diagramm, das eine typische Konfiguration einer elektrischen Servolenkungsvorrichtung 500 gemäß dem veranschaulichenden dritten Ausführungsbeispiel zeigt.

BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
Bevor die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beschrieben werden, werden die vorliegenden Erkenntnisse des Erfinders beschrieben, die die Basis der vorliegenden Offenbarung darstellen.
Bei der Leistungsumwandlungsvorrichtung aus Patentdokument Nr. 1 sind die zwei Inverter jeweils immer mit der Leistungsversorgung und der GND verbunden. Diese Konfiguration ermöglicht es nicht, dass die Leistungsversorgung und der ausgefallene Inverter voneinander getrennt werden. Die vorliegenden Erfinder sind auf das Problem gestoßen, dass sogar dann, wenn unter anomalen Bedingungen ein Nullpunkt in einem ausgefallenen Inverter gebildet wird, ein Strom von der Leistungsversorgung in den ausgefallenen Inverter fließt. Als Folge tritt in dem ausgefallenen Inverter ein Leistungsverlust auf.
Wie bei der Leistungsversorgung kann ein ausgefallener Inverter nicht von der GND getrennt werden. Die benannten Erfinder sind auf das Problem gestoßen, dass sogar dann, wenn unter anomalen Bedingungen ein Nullpunkt in einem ausgefallenen Inverter gebildet wird, ein Strom, der jeder Phasenwicklung durch einen normal arbeitenden Inverter zugeführt wird, nicht zu dem Quellinverter zurückkehrt und durch den ausgefallenen Inverter zu der GND fließt. Mit anderen Worten, kann eine geschlossene Schleife eines Antriebsstromes nicht gebildet werden. Es ist wünschenswert, dass ein Strom, der jeder Phasenwicklung durch einen normal arbeitenden Inverter zugeführt wird, durch den Quellinverter zu der GND fließen sollte.
Ausführungsbeispiele einer Leistungsumwandlungsvorrichtung, einer Motorantriebseinheit und einer elektrischen Servolenkungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung werden im Folgenden ausführlich unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Um unnötige Undeutlichkeiten der vorliegenden Offenbarung zu vermeiden, werden zum Beispiel bekannte Merkmale nicht beschrieben oder im Wesentlichen gleiche Elemente nicht wiederholend beschrieben. Dies dient auch der Vereinfachung des Verständnisses der vorliegenden Offenbarung.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung werden hierin beispielsweise unter Verwendung einer Leistungsumwandlungsvorrichtung beschreiben, die Leistung umwandelt, die einem Dreiphasenmotor mit drei Phasenwicklungen (U-Phase, V-Phase und W-Phase) zuzuführen ist. Es ist zu beachten, dass die vorliegende Offenbarung eine Leistungsumwandlungsvorrichtung umfasst, die Leistung umwandelt, die einem n-Phasenmotor mit n-Phasenwicklungen (n ist eine Ganzzahl von vier oder mehr) zuzuführen ist, zum Beispiel vier Phasenwicklungen oder fünf Phasenwicklungen.
(Erstes Ausführungsbeispiel)
1 zeigt auf schematische Weise eine Schaltungskonfiguration einer Leistungsumwandlungsvorrichtung 100 gemäß diesem Ausführungsbeispiel.
Die Leistungsumwandlungsvorrichtung 100 umfasst zwei Umschaltschaltungen 110, einen ersten Inverter 120 und einen zweiten Inverter 130. Die Leistungsumwandlungsvorrichtung 100 kann Leistung umwandeln, die unterschiedlichen Motoren zuzuführen ist. Ein Motor 200 ist beispielsweise ein Dreiphasenwechselstrommotor.
Der Motor 200 umfasst eine U-Phase-Wicklung M1, eine V-Phase-Wicklung M2 und eine W-Phase-Wicklung M3 und ist mit dem ersten Inverter 120 und dem zweiten Inverter 130 gekoppelt. Im Einzelnen ist der erste Inverter 120 mit einem Ende jeder Phasenwicklung des Motors 200 gekoppelt und der zweite Inverter 130 ist mit dem anderen Ende jeder Phasenwicklung gekoppelt. Wie hierin verwendet, beschreiben die Ausdrücke „koppeln“ und „verbinden“ in Bezug auf Teile (Komponenten) hauptsächlich eine elektrische Kopplung und Verbindung zwischen den Teilen. Der erste Inverter 120 weist Anschlüsse U_L, V_L und W_L auf, die den jeweiligen Phasen entsprechen, und der zweite Inverter 130 weist Anschlüsse U_R, V_R und W_R auf, die den jeweiligen Phasen entsprechen.
Der Anschluss U_L des ersten Inverters 120 ist mit einem Ende der U-Phase-Wicklung M1 gekoppelt, der Anschluss V_L ist mit einem Ende der V-Phase-Wicklung M2 gekoppelt und der Anschluss W_L ist mit einem Ende der W-Phase-Wicklung M3 gekoppelt. Wie bei dem ersten Inverter 120 ist der Anschluss U_R des zweiten Inverters 130 mit dem anderen Ende der U-Phase-Wicklung M1 gekoppelt, der Anschluss V_R ist mit dem anderen Ende der V-Phase-Wicklung M2 gekoppelt und der Anschluss W_R ist mit dem anderen Ende der W-Phase-Wicklung M3 gekoppelt. Eine derartige Kopplung mit einem Motor unterscheidet sich von der so genannten Stern- und Delta-Kopplungen.
Die zwei Umschaltschaltungen 110 weisen ein erstes bis viertes Umschaltelement 111, 112, 113 und 114 auf. Von den zwei Umschaltschaltungen 110 wird eine, die das erste und das zweite Umschaltelement 111 und 112 umfasst und näher zu der GND ist, im Folgenden als „GND-seitige Umschaltschaltung“ bezeichnet, und eine, die das dritte und das vierte Umschaltelement 113 und 114 umfasst und näher zu der Leistungsversorgung ist, wird im Folgenden als „Leistungsversorgung-seitige Umschaltschaltung“ bezeichnet. Mit anderen Worten weist die GND-seitige Umschaltschaltung das erste und das zweite Umschaltelement 111 und 112 auf und die Leistungsversorgung-seitige Umschaltschaltung weist das dritte und das vierte Umschaltelement 113 und 114 auf.
Bei der Leistungsumwandlungsvorrichtung 100 können der erste Inverter 120 und der zweite Inverter 130 durch die zwei Umschaltschaltungen 110 elektrisch mit der Leistungsversorgung 101 und der GND verbunden sein.
Im Einzelnen schaltet das erste Umschaltelement 111 zwischen einer Verbindung und einer Trennung des ersten Inverters 120 mit und von der GND um. Das zweite Umschaltelement 112 schaltet zwischen einer Verbindung und einer Trennung des zweiten Inverters 130 mit und von der GND um. Das dritte Umschaltelement schaltet zwischen einer Verbindung und einer Trennung der Leistungsversorgung 101 mit und von dem ersten Inverter 120 um. Das vierte Umschaltelement 114 schaltet zwischen einer Verbindung und einer Trennung der Leistungsversorgung 101 mit und von dem zweiten Inverter 130 um.
Das erste bis vierte Umschaltelement 111, 112, 113 und 114 können beispielweise unter der Steuerung von einer Mikrosteuerung oder einem dedizierten Treiber ein- und ausgeschaltet werden. Das erste bis vierte Umschaltelement 111, 112, 113 und 114 können einen Strom in den entgegengesetzten Richtungen blockieren. Das erste bis vierte Umschaltelement 111, 112, 113 und 114 können beispielsweise ein Halbleiterschalter wie etwa ein Thyristor oder eine analoge Umschalt-IS, ein mechanisches Relais, usw. sein. Eine Kombination einer Diode und einem Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT, Insulated-Gate Bipolar Transistor), usw. kann verwendet werden. Es ist zu beachten, dass die Umschaltelemente der vorliegenden Offenbarung Halbleiterschalter umfassen, z. B. einen Feldeffekttransistor, in dem eine Parasitärdiode gebildet ist (typischerweise ein MOSFET). Eine beispielhafte Schaltungskonfiguration, bei der MOSFET als Umschaltelemente verwendet werden, ist bei einem anderen Ausführungsbeispiel beschrieben. Das erste bis vierte Umschaltelement 111, 112, 113 und 114 können hierin durch SW 111, 112, 113 bzw. 114 bezeichnet werden.
Eine Schutzschaltung ist in den beiden Umschaltschaltungen 110 parallel mit jedem SW elektrisch verbunden. Im Einzelnen ist eine Schutzschaltung PC1 parallel mit dem SW 111 gekoppelt, eine Schutzschaltung PC2 ist parallel mit dem SW 112 gekoppelt, eine Schutzschaltung PC3 ist parallel mit dem SW 113 gekoppelt, und eine Schutzschaltung PC4 ist parallel mit dem SW 114 gekoppelt. Beispielsweise sind die Schutzschaltungen PC1, PC2, PC3 und PC4 Dioden 111D, 112D, 113D bzw. 114D.
Die vorliegende Offenbarung ist nicht auf die in den Zeichnungen gezeigten Beispiele beschränkt. Die Anzahl von Umschaltelementen, die verwendet werden, wird je nach Eignung bestimmt, wobei Struktur und Spezifikationen, usw. berücksichtigt werden. Insbesondere in dem Bereich von fahrzeugmontierten Vorrichtungen muss eine hohe Qualität für die Sicherheit gewährleistet sein und daher umfassen die Leistungsversorgung-seitige Umschaltschaltung und die GND-seitige Umschaltschaltung vorzugsweise eine Mehrzahl von Umschaltelementen für jeden Inverter.
2 zeigt auf schematische Weise eine andere Schaltungskonfiguration der Leistungsumwandlungsvorrichtung 100 dieses Ausführungsbeispiels.
Die Leistungsversorgung-seitige Umschaltschaltung 110 kann ferner ein fünftes Umschaltelement 115 und ein sechstes Umschaltelement 116 zum Schutz vor Reverse Connection aufweisen. Das fünfte und das sechste Umschaltelement 115 und 116 sind üblicherweise ein MOSFET-Halbleiterschalter, der eine Parasitärdiode aufweist. Das fünfte Umschaltelement 115 ist mit dem SW 113 in Reihe gekoppelt und ist derart angeordnet, dass ein Vorwärtsstrom durch die Parasitärdiode hindurch in Richtung des ersten Inverters 120 fließt. Das sechste Umschaltelement 116 ist mit dem SW 114 in Reihe gekoppelt und ist derart angeordnet, dass ein Vorwärtsstrom in der Parasitärdiode in einer Richtung zu dem zweiten Inverter 130 hin fließt. Selbst wenn die Leistungsversorgung 101 in der entgegengesetzten Richtung gekoppelt ist, kann zum Schutz vor Reverse Connection (Umkehrverbindung) ein Rückwärtsstrom durch die zwei FET blockiert werden.
Auch bei der beispielhaften Konfiguration der 2 ist bei der Leistungsversorgung-seitigen Umschaltschaltung 110 eine Diode als Schutzschaltung parallel mit einem SW gekoppelt. Beispielsweise kann eine Diode 113D parallel mit dem SW 113 gekoppelt sein, und eine Diode 114D kann parallel mit dem SW 114 gekoppelt sein.
Die Leistungsversorgung 101 erzeugt eine vorbestimmte Leistungsversorgungsspannung. Die Leistungsversorgung 101 kann beispielsweise eine Gleichstromleistungsversorgung sein. Es ist zu beachten, dass die Leistungsversorgung 101 ein WS-GS-Wandler oder ein GS-GS-Wandler oder alternativ dazu eine Batterie (elektrische Batterie) sein kann.
Die Leistungsversorgung 101 kann eine einzelne Leistungsversorgung sein, die von dem ersten und dem zweiten Inverter 120 und 130 geteilt wird. Alternativ dazu kann eine erste Leistungsversorgung für den ersten Inverter 120 und eine zweite Leistungsversorgung für den zweiten Inverter 130 bereitgestellt sein.
Zwischen der Leistungsversorgung 101 und der Leistungsversorgung-seitigen Umschaltschaltung 110 ist eine Spule 102 bereitgestellt. Die Spule 102 fungiert als Rauschfilter, um eine Glättung durchzuführen, so dass Hochfrequenzrauschen, das in der jedem Inverter zugeführten Spannungswellenform enthalten ist, oder Hochfrequenzrauschen, das in jedem Inverter auftritt, nicht in die Leistungsversorgung 101 fließt. Ein Kondensator oder mehrere Kondensatoren 103 ist/sind mit Leistungsversorgungsanschlüssen der Inverter gekoppelt. Der Kondensator 103 ist ein sogenannter Bypass-Kondensator und verhindert oder reduziert eine Spannungswelligkeit. Der Kondensator 103 ist beispielsweise ein Elektrolytkondensator. Die Kapazitäten und die Anzahl von Kondensatoren 103, die verwendet werden, werden je nach Eignung bestimmt, wobei Struktur und Spezifikationen, usw. berücksichtigt werden.
Der erste Inverter 120 (kann auch als eine „Brückenschaltung L“ bezeichnet werden) umfasst eine Brückenschaltung, die drei Schenkel umfasst. Jeder Schenkel weist ein tiefseitiges Umschaltelement und ein hochseitiges Umschaltelement auf. Umschaltelemente 121L, 122L und 123L, die in 1 gezeigt sind, sind ein tiefseitiges Umschaltelement und Umschaltelemente 121H, 122H und 123H, die in 1 gezeigt sind, sind ein hochseitiges Umschaltelement. Die Umschaltelemente können beispielsweise ein FET oder IGBT sein. In der folgenden Beschreibung wird beispielsweise angenommen, dass die Umschaltelemente ein FET sind und dieselben können mit FET bezeichnet werden. Beispielsweise werden die Umschaltelemente 121L, 122L und 123L mit FET 121L, 122L und 123L bezeichnet.
Der erste Inverter 120 umfasst drei Nebenschlusswiderstände 121R, 122R und 123R als einen Stromsensor zum Detektieren von Strömen, die durch die U-Phase-, V-Phase- bzw. W-Phase-Wicklungen fließen (siehe 5). Der Stromsensor 150 umfasst eine Stromdetektionsschaltung (nicht gezeigt) zum Detektieren eines Stromes, der durch jeden Nebenschlusswiderstand fließt. Beispielsweise sind die Nebenschlusswiderstände 121R, 122R und 123R jeweils zwischen die entsprechenden der drei tiefseitigen Umschaltelemente, die in den drei Schenkeln des ersten Inverters 120 enthalten sind, und die GND gekoppelt. Im Einzelnen ist der Nebenschlusswiderstand 121R elektrisch zwischen den FET 121L und das SW 111 geschaltet, der Nebenschlusswiderstand 122R ist elektrisch zwischen den FET 122L und das SW 111 geschaltet, und der Nebenschlusswiderstand 123R ist elektrisch zwischen den FET 123L und das SW 111 geschaltet. Die Nebenschlusswiderstände weisen beispielsweise einen Widerstandswert von rund 0,5 - 1,0 mΩ auf.
Wie bei dem ersten Inverter 120 umfasst der zweite Inverter 130 (kann als eine „Brückenschaltung R“ bezeichnet werden) eine Brückenschaltung, die drei Schenkel umfasst. FET 131L, 132L und 133L, die in 1 gezeigt sind, sind ein tiefseitiges Umschaltelement und FET 131H, 132H und 133H sind ein hochseitiges Umschaltelement. Der zweite Inverter 130 umfasst auch drei Nebenschlusswiderstände 131R, 132R und 133R. Die Nebenschlusswiderstände sind zwischen die drei tiefseitigen Umschaltelementen, die in den drei Schenkeln enthalten sind, und die GND gekoppelt. Jeder der FET, die in dem ersten und dem zweiten Inverter 120 und 130 enthalten sind, kann beispielsweise durch eine Mikrosteuerung oder einen dedizierten Treiber gesteuert werden.
In der Beispielkonfiguration aus 1 ist ein Nebenschlusswiderstand in jedem Schenkel jedes Inverters bereitgestellt. Es ist zu beachten, dass der erste und der zweite Inverter 120 und 130 sechs oder weniger Nebenschlusswiderstände umfassen können. Beispielsweise können die sechs oder weniger Nebenschlusswiderstände zwischen die sechs oder weniger tiefseitigen Umschaltelementen der sechs Schenkel des ersten und des zweiten Inverters 120 und 130 und die GND gekoppelt sein. In dem Fall, in dem diese Konfiguration auf einen n-Phasenmotor erweitert wird, können der erste und der zweite Inverter 120 und 130 2n oder weniger Nebenschlusswiderstände umfassen. Beispielsweise können die 2n oder weniger Nebenschlusswiderstände zwischen die 2n oder weniger tiefseitigen Umschaltelementen der 2n Schenkel des ersten und des zweiten Inverters 120 und 130 und die GND gekoppelt sein.
3 und 4 zeigen auf schematische Weise andere Schaltungskonfigurationen der Leistungsumwandlungsvorrichtung 100 dieses Ausführungsbeispiels.
Wie in 3 gezeigt ist, können drei Nebenschlusswiderstände zwischen den Schenkeln des ersten oder des zweiten Inverters 120 oder 130 und den Wicklungen M1, M2 und M3 angeordnet sein. Beispielsweise können Nebenschlusswiderstände 121R, 122R und 123R zwischen dem ersten Inverter 120 und einem Ende der jeweiligen Wicklungen M1, M2 und M3 angeordnet sein. Alternativ dazu, jedoch nicht gezeigt, können beispielsweise Nebenschlusswiderstände 121R und 122R zwischen dem ersten Inverter 120 und dem einen Ende der jeweiligen Wicklungen M1 und M2 angeordnet sein und ein Nebenschlusswiderstand 123R kann zwischen dem zweiten Inverter 130 und dem anderen Ende der Wicklung M3 angeordnet sein. In einer solchen Konfiguration ist es ausreichend, drei Nebenschlusswiderstände für die U-, V- und W-Phase anzuordnen und zumindest zwei Nebenschlusswiderstände sind bereitgestellt.
Wie in 4 gezeigt ist, kann beispielsweise ein einzelner Nebenschlusswiderstand in jedem Inverter bereitgestellt sein und von den Phasenwicklungen geteilt werden. Ein einzelner Nebenschlusswiderstand kann beispielsweise elektrisch zwischen einen tiefseitigen Knoten N1 (Kopplungspunkt der Schenkel) des ersten Inverters 120 und das SW 111 geschaltet sein und ein anderer einzelner Nebenschlusswiderstand kann beispielsweise elektrisch zwischen einen tiefseitigen Knoten N2 des zweiten Inverters 130 und das SW 112 geschaltet sein.
Wie bei der tiefen Seite ist ein einzelner Nebenschlusswiderstand beispielsweise elektrisch zwischen einen hochseitigen Knoten N3 des ersten Inverters 120 und das SW 113 geschaltet und ein anderer einzelner Nebenschlusswiderstand ist beispielsweise elektrisch zwischen einen hochseitigen Knoten N4 des zweiten Inverters 130 und das SW 114 geschaltet. Die Anzahl der Nebenschlusswiderstände, die verwendet werden, und die Anordnung der Nebenschlusswiderstände werden somit je nach Eignung bestimmt, wobei Herstellungskosten, Struktur, Spezifikationen, usw. berücksichtigt werden.
5 zeigt auf schematische Weise eine typische Blockkonfiguration einer Motorantriebseinheit 400 einschließlich der Leistungsumwandlungsvorrichtung 100.
Die Motorantriebseinheit 400 umfasst die Leistungsumwandlungsvorrichtung 100, den Motor 200 und eine Steuerschaltung 300.
Die Steuerschaltung 300 umfasst beispielsweise eine Leistungsversorgungsschaltung 310, einen Winkelsensor 320, eine Eingangsschaltung 330, eine Mikrosteuerung 340, eine Antriebsschaltung 350 und einen ROM 360. Die Steuerschaltung 300 ist mit der Leistungsumwandlungsvorrichtung 100 gekoppelt und steuert die Leistungsumwandlungsvorrichtung 100 dahingehend, den Motor 200 anzutreiben.
Im Einzelnen steuert die Steuerschaltung 300 den Rotor derart, dass der Rotor eine gewünschte Position, eine gewünschte Drehzahl und einen gewünschten Strom, usw. annimmt, und kann eine Steuerung mit geschlossenem Regelkreis erzielen. Es ist zu beachten, dass die Steuerschaltung 300 anstelle des Winkelsensors einen Drehmomentsensor umfassen kann. In diesem Fall kann die Steuerschaltung 300 den Rotor derart steuern, dass der Rotor ein gewünschtes Motordrehmoment annimmt.
Die Leistungsversorgungsschaltung 310 erzeugt eine Gleichstromspannung (z. B. 3 V oder 5 V), die für die Schaltungsblöcke verwendet wird. Der Winkelsensor 320 ist beispielsweise ein Resolver oder ein Hall-IC. Alternativ dazu kann der Winkelsensor 320 durch eine Kombination eines Reluktanzsensors (MR-Sensor, MR = magnetic reluctance), der ein MR-Element aufweist, und eines Sensormagneten implementiert werden. Der Winkelsensor 320 detektiert den Drehwinkel des Rotors des Motors 200 (im Folgenden als „Drehsignal“ bezeichnet) und gibt das Drehsignal an die Mikrosteuerung 340 aus. Die Eingangsschaltung 330 empfängt einen Motorstromwert (im Folgenden als „tatsächlicher Stromwert“ bezeichnet), der durch den Stromsensor 150 detektiert wird, und wandelt gegebenenfalls den Pegel des tatsächlichen Stromwertes in einen Eingangspegel der Mikrosteuerung 340 um und gibt den resultierenden tatsächlichen Stromwert an die Mikrosteuerung 340 aus.
Die Mikrosteuerung 340 steuert den Umschaltvorgang (das Einschalten oder Ausschalten) jedes FET in dem ersten und dem zweiten Inverter 120 und 130 der Leistungsumwandlungsvorrichtung 100. Die Mikrosteuerung 340 berechnet einen gewünschten Stromwert auf der Basis des tatsächlichen Stromwertes und des Rotordrehsignals, usw., um ein PWM-Signal zu erzeugen, und gibt das PWM-Signal an die Antriebsschaltung 350 aus. Die Mikrosteuerung 340 kann außerdem den Ein-/Aus-Betrieb jedes SW in den zwei Umschaltschaltungen 110 der Leistungsumwandlungsvorrichtung 100 steuern.
Die Antriebsschaltung 350 ist typischerweise ein Gate-Treiber. Die Antriebsschaltung 350 erzeugt auf der Basis des PWM-Signals Steuersignale (Gate-Steuersignale) zum Steuern der Umschaltvorgänge der jeweiligen FET in dem ersten und dem zweiten Inverter 120 und 130 und gibt die Steuersignale an die Gates der jeweiligen FET aus. Die Antriebsschaltung 350 erzeugt außerdem gemäß einer Anweisung von der Mikrosteuerung 340 Steuersignale zum Steuern des Ein-/Aus-Betriebes der jeweiligen SW in den zwei Umschaltschaltungen 110. Es ist zu beachten, dass die Mikrosteuerung 340 jedes SW in den zwei Umschaltschaltungen 110 steuern kann. Es ist zu beachten, dass die Mikrosteuerung 340 auch als die Antriebsschaltung 350 fungieren kann. In diesem Fall muss die Steuerschaltung 300 die Antriebsschaltung 350 nicht umfassen.
Der ROM 360 ist beispielsweise ein beschreibbarer Speicher (z.B. ein PROM), ein wiederbeschreibbarer Speicher (z.B. ein Flash-Speicher) ein oder ein Nur-Lese-Speicher. Der ROM 360 speichert ein Steuerprogramm, das Anweisungen umfasst, die bewirken, dass die Mikrosteuerung 340 die Leistungsumwandlungsvorrichtung 100 steuert. Beispielsweise wird das Steuerprogramm während des Startvorgangs temporär in einen RAM (nicht gezeigt) geladen.
Die Leistungsumwandlungsvorrichtung 100 führt eine Steuerung unter normalen Bedingungen und eine Steuerung unter anomalen Bedingungen durch. Die Steuerschaltung 300 (hauptsächlich die Mikrosteuerung 340) kann die Steuerung der Leistungsumwandlungsvorrichtung 100 von der Steuerung unter normalen Bedingungen zu der Steuerung unter anomalen Bedingungen umschalten. Der Ein-/Aus-Zustand jedes SW in den zwei Umschaltschaltungen 110 wird auf der Basis eines Musters eines ausgefallenen FET oder mehrerer ausgefallener FET bestimmt (im Folgenden auch als „Ausfallmuster“ bezeichnet). Außerdem wird der Ein-/Aus-Zustand jedes FET in einem ausgefallenen Inverter bestimmt.
(Steuerung unter normalen Bedingungen)
Zuerst wird ein spezifisches Beispielverfahren zum Steuern der Leistungsumwandlungsvorrichtung 100 unter normalen Bedingungen beschrieben. Wie oben beschrieben ist, beschreibt der Ausdruck „normale Bedingungen“, dass keiner der FET in dem ersten und dem zweiten Inverter 120 und 130 ausgefallen ist und keines der SW der zwei Umschaltschaltungen 110 ausgefallen ist.
Unter normalen Bedingungen schaltet die Steuerschaltung 300 alle SW 111, 112, 113 und 114 der zwei Umschaltschaltungen 110 ein. Folglich sind die Leistungsversorgung 101 und der erste Inverter 120 elektrisch miteinander verbunden und die Leistungsversorgung 101 und der zweite Inverter 130 sind elektrisch miteinander verbunden. Zusätzlich dazu sind der erste Inverter 120 und die GND elektrisch miteinander verbunden und der zweite Inverter 130 und die GND sind elektrisch miteinander verbunden. In diesem Verbindungszustand führt die Steuerschaltung 300 eine Dreiphasenleitungssteuerung unter Verwendung des ersten und des zweiten Inverters 120 und 130 durch, um den Motor 200 anzutreiben.
6 zeigt beispielhafte Stromwellenformen (Sinuswellen), die dadurch erhalten werden, dass Werte von Strömen grafisch dargestellt werden, die durch die U-Phase-, V-Phase- und W-Phase-Wicklung des Motors 200 fließen, wenn die Leistungsumwandlungsvorrichtung 100 durch die Dreiphasenleitungssteuerung gesteuert wird. Die horizontale Achse stellt Motorphasenwinkel (Grad) dar und die vertikale Achse stellt Stromwerte (A) dar. Bei der Stromwellenform aus 6 sind Stromwerte bei jedem Phasenwinkel von 30° grafisch dargestellt. I_pk stellt den größten Stromwert (Spitzenstromwert) jeder Phase dar.
Tabelle 1 zeigt die Werte von Strömen, die bei jedem vorbestimmten Phasenwinkel der Sinuswellen aus 6 durch die Anschlüsse jedes Inverters fließen. Im Einzelnen zeigt Tabelle 1 die Werte von Strömen, die bei jedem Phasenwinkel von 30° durch die Anschlüsse U_L, V_L und W_L des ersten Inverters 120 (die Brückenschaltung L) fließen, und die Werte von Strömen, die bei jedem Phasenwinkel von 30° durch die Anschlüsse U_R, V_R und W_R des zweiten Inverters 130 (die Brückenschaltung R) fließen. Hier ist eine positive Stromrichtung in Bezug auf die Brückenschaltung L als eine Richtung definiert, in der ein Strom von einem Anschluss der Brückenschaltung L zu einem Anschluss der Brückenschaltung R fließt. Diese Definition gilt für in 6 gezeigte Stromrichtungen. Eine positive Stromrichtung in Bezug auf die Brückenschaltung R ist als eine Richtung definiert, in der ein Strom von einem Anschluss der Brückenschaltung R zu einem Anschluss der Brückenschaltung L fließt. Daher besteht zwischen dem Strom in der Brückenschaltung L und dem Strom in der Brückenschaltung R eine Phasendifferenz von 180°. In Tabelle 1 ist die Größe eines Stromwertes I₁ gleich [(3)^1/2/2] * I_pk und die Größe eins Stromwertes I₂ ist gleich I_pk/2.
Bei einem Phasenwinkel von 0° fließt kein Strom durch die U-Phase-Wicklung M1. Ein Strom mit einer Größe von I₁ fließt durch die V-Phase-Wicklung M2 von der Brückenschaltung R zu der Brückenschaltung L und ein Strom mit einer Größe von I₁ fließt durch die W-Phase-Wicklung M3 von der Brückenschaltung L zu der Brückenschaltung R.
Bei einem Phasenwinkel von 30° fließt ein Strom mit einer Größe von I₂ durch die U-Phase-Wicklung M1 von der Brückenschaltung L zu der Brückenschaltung R, ein Strom mit einer Größe von I_pk fließt durch die V-Phase-Wicklung M2 von der Brückenschaltung R zu der Brückenschaltung L und ein Strom mit einer Größe von I₂ fließt durch die W-Phase-Wicklung M3 von der Brückenschaltung L zu der Brückenschaltung R.
Bei einem Phasenwinkel von 60° fließt ein Strom mit einer Größe von I₁ durch die U-Phase-Wicklung M1 von der Brückenschaltung L zu der Brückenschaltung R und ein Strom mit einer Größe von I₁ fließt durch die V-Phase-Wicklung M2 von der Brückenschaltung R zu der Brückenschaltung L. Durch die W-Phase-Wicklung M3 fließt kein Strom.
Bei einem Phasenwinkel von 90° fließt ein Strom mit einer Größe von I_pk durch die U-Phase-Wicklung M1 von der Brückenschaltung L zu der Brückenschaltung R, ein Strom mit einer Größe von I₂ fließt durch die V-Phase-Wicklung M2 von der Brückenschaltung R zu der Brückenschaltung L und ein Strom mit einer Größe von I₂ fließt durch die W-Phase-Wicklung M3 von der Brückenschaltung R zu der Brückenschaltung L.
Bei einem Phasenwinkel von 120° fließt ein Strom mit einer Größe von I₁ durch die U-Phase-Wicklung M1 von der Brückenschaltung L zu der Brückenschaltung R und ein Strom mit einer Größe von I₁ fließt durch die W-Phase-Wicklung M3 von der Brückenschaltung R zu der Brückenschaltung L. Durch die V-Phase-Wicklung M2 fließt kein Strom.
Bei einem Phasenwinkel von 150° fließt ein Strom mit einer Größe von I₂ durch die U-Phase-Wicklung M1 von der Brückenschaltung L zu der Brückenschaltung R, ein Strom mit einer Größe von I₂ fließt durch die V-Phase-Wicklung M2 von der Brückenschaltung L zu der Brückenschaltung R und ein Strom mit einer Größe von I_pk fließt durch die W-Phase-Wicklung M3 von der Brückenschaltung R zu der Brückenschaltung L.
Bei einem Phasenwinkel von 180° fließt kein Strom durch die U-Phase-Wicklung M1. Ein Strom mit einer Größe von I₁ fließt durch die V-Phase-Wicklung M2 von der Brückenschaltung L zu der Brückenschaltung R und ein Strom mit einer Größe von I₁ fließt durch die W-Phase-Wicklung M3 von der Brückenschaltung R zu der Brückenschaltung L.
Bei einem Phasenwinkel von 210° fließt ein Strom mit einer Größe von I₂ durch die U-Phase-Wicklung M1 von der Brückenschaltung R zu der Brückenschaltung L, ein Strom mit einer Größe von I_pk fließt durch die V-Phase-Wicklung M2 von der der Brückenschaltung L zu der Brückenschaltung R und ein Strom mit einer Größe von I₂ fließt durch die W-Phase-Wicklung M3 von der Brückenschaltung R zu der Brückenschaltung L.
Bei einem Phasenwinkel von 240° fließt ein Strom mit einer Größe von I₁ durch die U-Phase-Wicklung M1 von der Brückenschaltung R zu der Brückenschaltung L und ein Strom mit einer Größe von I₁ fließt durch die V-Phase-Wicklung M2 von der Brückenschaltung L zu der Brückenschaltung R. Durch die W-Phase-Wicklung M3 fließt kein Strom.
Bei einem Phasenwinkel von 270° fließt ein Strom mit einer Größe von I_pk durch die U-Phase-Wicklung M1 von der Brückenschaltung R zu der Brückenschaltung L, ein Strom mit einer Größe von I₂ fließt durch die V-Phase-Wicklung M2 von der Brückenschaltung L zu der Brückenschaltung R und ein Strom mit einer Größe von I₂ fließt durch die W-Phase-Wicklung M3 von der Brückenschaltung L zu der Brückenschaltung R.
Bei einem Phasenwinkel von 300° fließt ein Strom mit einer Größe von I₁ durch die U-Phase-Wicklung M1 von der Brückenschaltung R zu der Brückenschaltung L und ein Strom mit einer Größe von I₁ fließt durch die W-Phase-Wicklung M3 von der Brückenschaltung L zu der Brückenschaltung R. Durch die V-Phase-Wicklung M2 fließt kein Strom.
Bei einem Phasenwinkel von 330° fließt ein Strom mit einer Größe von I₂ durch die U-hase-Wicklung M1 von der Brückenschaltung R zu der Brückenschaltung L, ein Strom mit einer Größe von I₂ fließt durch die V-Phase-Wicklung M2 von der Brückenschaltung R zu der Brückenschaltung L und ein Strom mit einer Größe von I_pk fließt durch die W-Phase-Wicklung M3 von der Brückenschaltung L zu der Brückenschaltung R.
Bei einem typischen sterngeschalteten Motor beträgt die Summe von Strömen, die durch die Dreiphasenwicklungen fließen, bei jedem Phasenwinkel „0“, wobei die Stromrichtungen berücksichtigt werden. Man beachte, dass bei der „Dreiphasenleitungssteuerung“ der Schaltungskonfiguration der vorliegenden Offenbarung Ströme, die durch die Dreiphasenwicklungen fließen, separat gesteuert werden und dass deshalb üblicherweise ein Nullphasenstrom fließen kann. Folglich kann aufgrund des Einflusses des Nullphasenstroms ein Steuerfehler auftreten. Es ist zu beachten, dass die Summe der durch die Dreiphasenwicklungen fließenden Ströme nicht bei jeglichem beliebigen Phasenwinkel exakt „0“ beträgt. Beispielsweise kann die Steuerschaltung 300 die Umschaltvorgänge der FET der Brückenschaltungen L und R derart durch eine PWM-Steuerung steuern, dass die Stromwellenformen aus 6 erhalten werden.
(Steuerung unter anomalen Bedingungen)
Wie oben beschrieben ist, beschreibt der Ausdruck „anomale Bedingungen“ hauptsächlich, dass einer oder mehrere FET ausgefallen ist/sind. Ausfälle eines FET werden im Wesentlichen in einen „Leerlaufausfall“ und einen „Kurzschlussausfall“ unterteilt. In Bezug auf einen FET heißt „Leerlaufausfall“, dass zwischen Source und Drain des FET ein Leerlauf besteht (in anderen Worten weist ein Widerstand rds zwischen Source und Drain eine hohe Impedanz auf). In Bezug auf einen FET heißt „Kurzschlussausfall“, dass ein Kurzschluss zwischen Source und Drain des FET vorhanden ist.
Der „Leerlaufausfall“ bezüglich eines Umschaltelements SW bedeutet, dass das SW immer ausgeschaltet (blockiert) ist und nicht eingeschaltet wird (d. h. nicht in einen leitfähigen Zustand versetzt wird). Der „Kurzschlussausfall“ bezüglich eines Umschaltelements SW bedeutet, dass das SW immer eingeschaltet ist und nicht ausgeschaltet wird.
Unter erneuter Bezugnahme auf 1 wird erwägt, dass während des Betriebes der Leistungsumwandlungsvorrichtung 100 ein zufälliger Ausfall auftritt, bei dem einer der 16 FET zufällig ausfällt. Die vorliegende Offenbarung richtet sich hauptsächlich auf ein Verfahren zum Steuern der Leistungsumwandlungsvorrichtung 100, wenn ein zufälliger Ausfall aufgetreten ist. Es ist zu beachten, dass sich die vorliegende Offenbarung außerdem auf ein Verfahren zum Steuern der Leistungsumwandlungsvorrichtung 100 richtet, wenn mehrere FET gemeinsam ausgefallen sind, usw. Solch ein Mehrfachausfall heißt beispielsweise, dass ein Ausfall simultan in den hochseitigen und tiefseitigen Umschaltelementen eines Schenkels auftritt.
Wenn die Leistungsumwandlungsvorrichtung 100 für einen langen Zeitraum verwendet wird, ist es wahrscheinlich, dass ein zufälliger Ausfall auftritt. Es ist zu beachten, dass sich der zufällige Ausfall von dem Herstellungsausfall unterscheidet, der während einer Herstellung auftreten kann. Wenn auch nur einer der FET der zwei Inverter ausfällt, kann die normale Dreiphasenleitungssteuerung nicht länger ausgeführt werden.
Ein Ausfall kann beispielsweise wie folgt detektiert werden. Die Antriebsschaltung 350 überwacht eine Drain-Source-Spannung Vds eines FET und vergleicht Vds mit einer vorbestimmten Schwellspannung, um einen Ausfall in dem FET zu detektieren. Die Schwellspannung wird in der Antriebsschaltung 350 beispielsweise durch eine Datenkommunikation mit einer externen IS (nicht gezeigt) und einem externen Teil festgelegt. Die Antriebsschaltung 350 ist mit einem Port der Mikrosteuerung 340 gekoppelt und sendet ein Ausfalldetektionssignal an die Mikrosteuerung 340. Beispielsweise aktiviert die Antriebsschaltung 350 das Ausfalldetektionssignal, wenn dieselbe einen Ausfall in einem FET detektiert. Wenn die Mikrosteuerung 340 ein aktiviertes Ausfalldetektionssignal empfängt, liest diese interne Daten aus der Antriebsschaltung 350 und bestimmt, welcher der FET ausgefallen ist.
Alternativ dazu kann ein Ausfall beispielsweise wie folgt detektiert werden. Die Mikrosteuerung 340 kann einen Ausfall in einem FET auf der Basis einer Differenz zwischen einem tatsächlichen Stromwert des Motors und einem gewünschten Stromwert detektieren. Es ist zu beachten, dass die Ausfalldetektion nicht auf diese Techniken beschränkt ist und unter Verwendung einer großen Auswahl an bekannten Techniken ausgeführt werden kann, die sich auf die Ausfalldetektion beziehen.
Ein Ausfall in jedem Umschaltelement der Umschaltschaltungen 110 kann beispielsweise durch die Mikrosteuerung 340, die einen durch das SW fließenden Strom überwacht, detektiert werden.
Wenn die Mikrosteuerung 340 ein aktiviertes Ausfalldetektionssignal empfängt, schaltet dieselbe die Steuerung der Leistungsumwandlungsvorrichtung 100 von der Steuerung unter normalen Bedingungen zu der Steuerung unter anomalen Bedingungen um. Beispielsweise ist ein Zeitpunkt, zu dem die Steuerung der Leistungsumwandlungsvorrichtung 100 von der Steuerung unter normalen Bedingungen zu der Steuerung unter anomalen Bedingungen umgeschaltet wird, rund 10-30 ms nach der Aktivierung eines Ausfalldetektionssignals.
Der Ausfall der Leistungsumwandlungsvorrichtung 100 umfasst unterschiedliche Ausfallmuster. Im Folgenden werden Ausfallmuster klassifiziert und die Steuerung unter anomalen Bedingungen der Leistungsumwandlungsvorrichtung 100 wird ausführlich für jedes Muster beschrieben. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird angenommen, dass von den zwei Invertern der erste Inverter 120 ein ausgefallener Inverter ist, und es wird angenommen, dass der zweite Inverter 130 normal arbeitet.
(Hochseitiges Umschaltelement - Leerlaufausfall)
Beschrieben wird die Steuerung unter anomalen Bedingungen, die in dem Fall eines Leerlaufausfalls in zumindest einem der drei hochseitigen Umschaltelemente in der Brückenschaltung des ersten Inverters 120 ausgeführt wird.
Es wird angenommen, dass von den hochseitigen Umschaltelementen (die FET 121H, 122H und 123H) des ersten Inverters 120 ein Leerlaufausfall in dem FET 121H aufgetreten ist. Es ist zu beachten, dass in dem Fall eines Leerlaufausfalls in dem FET 122H oder 123H die Leistungsumwandlungsvorrichtung 100 auch durch ein weiter unten beschriebenes Steuerverfahren gesteuert werden kann.
In dem Fall eines Leerlaufausfalls in dem FET 121H versetzt die Steuerschaltung 300 die SW 111, 112, 113 und 114 der zwei Umschaltschaltungen 110 und die FET 122H, 123H, 121L, 122L und 123L des ersten Inverters 120 in einen ersten Zustand. In dem ersten Zustand sind in den zwei Umschaltschaltungen 110 die SW 111 und 113 ausgeschaltet und die SW 112 und 114 eingeschaltet. Zusätzlich dazu sind in dem ersten Inverter 120 die FET 122H und 123H außer dem ausgefallenen FET 121H (die hochseitigen Umschaltelementen außer dem ausgefallenen FET 121H) ausgeschaltet und die FET 121L, 122L und 123L eingeschaltet.
In dem ersten Zustand ist der erste Inverter 120 elektrisch von der Leistungsversorgung 101 und der GND getrennt und der zweite Inverter 130 ist elektrisch mit der Leistungsversorgung 101 und der GND verbunden. Mit anderen Worten: Wenn der erste Inverter 120 nicht normal arbeitet, unterbricht das SW 113 die Verbindung zwischen der Leistungsversorgung 101 und dem ersten Inverter 120, und das SW 111 unterbricht die Verbindung zwischen dem ersten Inverter 120 und der GND. Zusätzlich dazu sind alle drei tiefseitigen Umschaltelemente eingeschaltet, so dass der tiefseitige Knoten N1 als Nullpunkt für die Wicklungen fungiert. Wie hierin verwendet, beschreibt der Ausdruck „ein Nullpunkt wird/ist gebildet“, dass ein bestimmter Knoten als der Nullpunkt fungiert. Die Leistungsumwandlungsvorrichtung 100 treibt den Motor 200 unter Verwendung eines auf der tiefen Seite des ersten Inverters 120 gebildeten Nullpunktes und des zweiten Inverters 130 an.
Wie oben beschrieben wurde, kann bei der Dreiphasenleitungssteuerung ein Nullphasenstrom in der Schaltung fließen. Hier wird angenommen, dass, im Gegensatz zur vorliegenden Offenbarung, keine der zwei Umschaltschaltungen 110 eine Schutzschaltung aufweist. Ferner wird angenommen, dass die Steuerschaltung 300 die Steuerung von der unter normalen Bedingungen erfolgenden Steuerung zu der unter anormalen Bedingungen erfolgenden Steuerung umschaltet. Beispielsweise werden die FET 121L, 122L und 123L des ersten Inverters 120 eingeschaltet, so dass sich auf der Tiefseite ein Nullpunkt bildet. In dieser Situation wird in dem Fall, dass die SW 111 und 113 ausgeschaltet werden, der Knoten N1, an dem ein Ende jeder der Wicklungen M1, M2 und M3 miteinander gekoppelt sind, d. h. der Nullpunkt auf der Tiefseite, von der Leistungsversorgung 101 und der GND isoliert. Deshalb wird der Strompfad des Nullphasenstroms, der bisher existiert hat, plötzlich abgeschnitten oder beseitigt. Folglich tritt eine Überspannung auf, die einen Ausfall bei einer Elektronikkomponente wie z. B. einem FET in der Schaltung bewirken kann.
Bei der Leistungsumwandlungsvorrichtung 100 dieses Ausführungsbeispiels ist eine Schutzschaltung parallel mit jedem der SW 111, 112, 113 und 114 gekoppelt. Sogar dann, wenn die SW 111 und 113 ausgeschaltet sind, ist der Nullpunkt in dem ersten Inverter 120 nicht von der Leistungsversorgung 101 oder der GND isoliert. Deshalb kann der Pfad des Nullphasenstroms durch die Schutzschaltungen gewährleistet werden. Der Nullphasenstrom kann durch die Diode 111D der Schutzschaltung PC1 oder die Diode 113D der Schutzschaltung PC3 fließen. Mit anderen Worten kann dann, wenn sich in einem der Inverter ein Nullpunkt bildet, der in der Schaltung verbleibende Nullphasenstrom veranlasst werden, durch eine Schutzschaltung herauszufließen. Folglich kann ein Ausfall einer Elektronikkomponente in der Schaltung effektiv verhindert oder verringert werden.
Nach dem Einschalten der FET 121L, 122L und 123L schaltet die Steuerschaltung 300 die SW 111 und 113 vorzugsweise dann aus, wenn ein Teil des Nullphasenstroms durch eine Schutzschaltung heraus geflossen ist und der Nullphasenstrom somit gering ist. Beispielsweise schaltet die Steuerschaltung 300 zuerst die FET 121L, 122L und 123L ein. Vorzugsweise überwacht die Steuerschaltung 300 den Nullphasenstrom und schaltet die SW 111 und 113 aus, nachdem sie bestätigt hat, dass der Nullphasenstrom geringer ist als ein vorbestimmter Wert. Diese Steuerung kann einen Ausfall bei den SW 111 und 113 und jedem FET zuverlässiger verhindern oder verringern.
7 zeigt auf schematische Weise Stromflüsse in der Leistungsumwandlungsvorrichtung 100, die auftreten, wenn die SW der zwei Umschaltschaltungen 110 und die FET des ersten Inverters 120 in dem ersten Zustand sind. 8 zeigt beispielhafte Stromwellenformen, die dadurch erhalten werden, dass Werte von Strömen grafisch dargestellt werden, die durch die U-Phase-, V-Phase- und W-Phase-Wicklung in dem Motor 200 fließen, wenn die Leistungsumwandlungsvorrichtung 100 in dem ersten Zustand gesteuert wird. 7 zeigt Stromflüsse, die bei einem Motorphasenwinkel von beispielsweise 270° auftreten. Die drei durchgehenden Linien stellen Ströme dar, die von der Leistungsversorgung 101 zu dem Motor 200 fließen. In dem in 7 gezeigten Zustand sind in dem zweiten Inverter 130 die FET 131H, 132L und 133L eingeschaltet und die FET 131L, 132H und 133H ausgeschaltet. Ein Strom, der durch den FET 131H des zweiten Inverters 130 fließt, fließt durch die Wicklung M1 und den FET 121L des ersten Inverters 120 zu dem Nullpunkt. Ein Teil des Stroms fließt durch den FET 122L zu der Wicklung M2 und der verbleibende Teil des Stroms fließt durch den FET 123L zu der Wicklung M3. Die Ströme, die durch die Wicklungen M2 und M3 fließen, fließen durch das SW 112 für den zweiten Inverter 130 zu der GND.
7 zeigt einen Nullphasenstrom I₀, der durch die Diode 111D der Schutzschaltung PC1 fließen kann, wenn die Steuerung von der unter normalen Bedingungen erfolgenden Steuerung zu der unter anormalen Bedingungen erfolgenden Steuerung umgeschaltet wird. Wenn der Nullphasenstrom einen negativen Wert aufweist, kann ein Vorwärtsstrom durch die Diode 111D fließen.
Tabelle 2 zeigt Beispielwerte von Strömen, die bei jedem vorbestimmten Phasenwinkel der Stromwellenformen aus 8 durch Anschlüsse des zweiten Inverters 130 fließen. Im Einzelnen zeigt Tabelle 2 Beispielwerte von Strömen, die bei jedem Phasenwinkel von 30° durch die Anschlüsse U_R, V_R und W_R des zweiten Inverters 130 (die Brückenschaltung R) fließen. Die Definitionen der Stromrichtungen sind wie oben beschrieben. Es ist zu beachten, dass gemäß den Definitionen der Stromrichtungen das Vorzeichen (Positivität oder Negativität) jedes in 8 gezeigten Stromwertes zu den in Tabelle 2 gezeigten entgegengesetzt ist (Phasendifferenz: 180°).
Beispielsweise fließt bei einem Phasenwinkel 30° ein Strom mit einer Größe von I₂ durch eine U-Phase-Wicklung M1 von der Brückenschaltung L zu der Brückenschaltung R, ein Strom mit einer Größe von I_pk fließt durch die V-Phase-Wicklung M2 von der Brückenschaltung R zu der Brückenschaltung L und ein Strom mit einer Größe von I₂ fließt durch die W-Phase-Wicklung M3 von der Brückenschaltung L zu der Brückenschaltung R. Bei einem Phasenwinkel von 60° fließt ein Strom mit einer Größe von I₁ durch die U-Phase-Wicklung M1 von der Brückenschaltung L zu der Brückenschaltung R und ein Strom mit einer Größe von I₁ fließt durch die V-Phase-Wicklung M2 von der Brückenschaltung R zu der Brückenschaltung L. Durch die W-Phase-Wicklung M3 fließt kein Strom. Die Summe eines oder mehrerer Ströme, die in einem Nullpunkt fließen, und eines oder mehrerer Ströme, die aus dem Nullpunkt fließen, ist bei jedem Phasenwinkel „0“. Die Steuerschaltung 300 kann die Umschaltvorgänge der FET der Brückenschaltung R derart durch eine PWM-Steuerung steuern, dass beispielsweise die Stromwellenformen aus 8 erhalten werden.
Wie aus Tabellen 1 und 2 ersichtlich ist, sind Motorströme, die bei einem beliebigen Phasenwinkel durch den Motor 200 fließen, zwischen der Steuerung unter normalen Bedingungen und der Steuerung unter anomalen Bedingungen gleich. Daher wird im Vergleich zu der Steuerung unter normalen Bedingungen das Motor-assistive Drehmoment bei der Steuerung unter anomalen Bedingungen nicht reduziert.
Die Leistungsversorgung 101 ist nicht elektrisch mit dem ersten Inverter 120 verbunden und daher fließt kein Strom von der Leistungsversorgung 101 in den ersten Inverter 120. Zusätzlich dazu ist der erste Inverter 120 nicht elektrisch mit der GND verbunden und daher fließt ein Strom, der durch den Nullpunkt fließt, nicht zu der GND. Folglich kann ein Leistungsverlust verhindert oder reduziert werden und eine geeignete Stromsteuerung kann durch die Bildung einer geschlossenen Schleife eines Antriebsstromes erzielt werden.
In dem Fall eines Leerlaufausfalls in einem hochseitigen Umschaltelement (der FET 121H) ist der Zustand der SW der zwei Umschaltschaltungen 110 und der FET des ersten Inverters 120 nicht auf den ersten Zustand beschränkt. Beispielsweise kann die Steuerschaltung 300 diese SW und FET in einen zweiten Zustand versetzen. In dem zweiten Zustand ist in den zwei Umschaltschaltungen 110 das SW 113 eingeschaltet und das SW 111 ist ausgeschaltet, und die SW 112 und 114 sind eingeschaltet. Zusätzlich dazu sind in dem ersten Inverter 120 die FET 122H und 123H außer dem ausgefallenen FET 121H ausgeschaltet und die FET 121L, 122L und 123L sind eingeschaltet. Der erste Zustand unterscheidet sich von dem zweiten Zustand darin, ob das SW 113 eingeschaltet ist oder nicht. Ein Grund dafür, dass das SW 113 eingeschaltet sein kann, ist, dass in dem Fall eines Leerlaufausfalls in dem FET 121H alle hochseitigen Umschaltelemente in den offenen Zustand versetzt werden, wenn die FET 122H und 123H dahingehend gesteuert werden, ausgeschaltet zu sein, und daher in diesem Fall kein Strom von der Leistungsversorgung 101 zu dem ersten Inverter 120 fließt, selbst wenn das SW 113 eingeschaltet ist. Somit kann das SW 113 in dem Fall eines Leerlaufausfalls entweder ein- oder ausgeschaltet sein.
(Hochseitiges Umschaltelement - Kurzschlussausfall)
Beschrieben wird die Steuerung unter anomalen Bedingungen, die in dem Fall eines Kurzschlussausfalls in einem der drei hochseitigen Umschaltelemente in der Brückenschaltung des ersten Inverters 120 ausgeführt wird.
Es wird angenommen, dass ein Kurzschlussausfall in dem FET 121H der hochseitigen Umschaltelemente (die FET 121H, 122H und 123H) des ersten Inverters 120 aufgetreten ist. Es ist zu beachten, dass die Leistungsumwandlungsvorrichtung 100 in dem Fall eines Kurzschlussausfalls in dem FET 122H oder 123H auch unter Verwendung eines der weiter unten beschriebenen Steuerverfahren gesteuert werden kann.
In dem Fall eines Kurzschlussausfalls in dem FET 121H versetzt die Steuerschaltung 300 die SW 111, 112, 113 und 114 der zwei Umschaltschaltungen 110 und die FET 122H, 123H, 121L, 122L und 123L des ersten Inverters 120 in den ersten Zustand. Es ist zu beachten, dass in dem Fall eines Kurzschlussausfalls ein Strom von der Leistungsversorgung 101 in den kurzgeschlossenen FET 121H fließt, wenn das SW 113 eingeschaltet ist. Daher ist die Steuerung in dem zweiten Zustand untersagt.
Wie in dem Fall eines Leerlaufausfalls sind alle drei tiefseitigen Umschaltelemente eingeschaltet, so dass ein Nullpunkt für die Wicklungen an dem tiefseitigen Knoten N1 gebildet ist. Die Leistungsumwandlungsvorrichtung 100 treibt den Motor 200 unter Verwendung des Nullpunktes auf der tiefen Seite des ersten Inverters 120 und unter Verwendung des zweiten Inverters 130 an. Die Steuerschaltung 300 kann die Umschaltvorgänge der FET der Brückenschaltung R derart durch eine PWM-Steuerung steuern, dass beispielsweise die Stromwellenformen aus 8 erhalten werden. In dem ersten Zustand in dem Fall eines Kurzschlussausfalls sind die Flüsse von Strömen, die in der Leistungsumwandlungsvorrichtung 100 bei einem elektrischen Winkel von 270° fließen, beispielsweise wie in 7 gezeigt. Zusätzlich dazu sind die Werte von Strömen, die bei jedem vorbestimmten Motorphasenwinkel durch die Wicklungen fließen, wie in Tabelle 2 gezeigt.
Bei dieser Steuerung ist die Leistungsversorgung 101 nicht elektrisch mit dem ersten Inverter 120 verbunden und daher fließt kein Strom von der Leistungsversorgung 101 in den ersten Inverter 120. Zusätzlich dazu ist der erste Inverter 120 nicht elektrisch mit der GND verbunden und daher fließt ein durch den Nullpunkt fließender Strom nicht zu der GND.
(Tiefseitiges Umschaltelement - Leerlaufausfall)
Beschrieben wird die Steuerung unter anomalen Bedingungen, die in den Fall eines Leerlaufausfalls in einem der drei tiefseitigen Umschaltelemente in der Brückenschaltung des ersten Inverters 120 ausgeführt wird.
Es wird angenommen, dass von den tiefseitigen Umschaltelementen (die FET 121L, 122L und 123L) des ersten Inverters 120 ein Leerlaufausfall in dem FET 121L aufgetreten ist. Es ist zu beachten, dass die Leistungsumwandlungsvorrichtung 100 in dem Fall eines Leerlaufausfalls in dem FET 122L oder 123L auch durch ein weiteres unten beschriebenes Steuerverfahren gesteuert werden kann.
In dem Fall eines Leerlaufausfalls in dem FET 121L versetzt die Steuerschaltung 300 die SW 111, 112, 113 und 114 der zwei Umschaltschaltungen 110 und die FET 121H, 122H, 123H, 122L und 123L des ersten Inverters 120 in eine dritten Zustand. In dem dritten Zustand sind in den zwei Umschaltschaltungen 110 die SW 111 und 113 ausgeschaltet und die SW 112 und 114 eingeschaltet. Zusätzlich dazu sind in dem ersten Inverter 120 die FET 122L und 123L außer dem ausgefallenen FET 121L (die tiefseitigen Umschaltelemente außer dem ausgefallen FET 121L) ausgeschaltet und die FET 121H, 122H und 123H eingeschaltet.
In dem dritten Zustand ist der erste Inverter 120 elektrisch von der Leistungsversorgung 101 und der GND getrennt und der zweite Inverter 130 ist elektrisch mit der Leistungsversorgung 101 und der GND verbunden. Zusätzlich dazu sind alle drei hochseitigen Umschaltelemente des ersten Inverters 120 eingeschaltet und daher ist ein Nullpunkt für die Wicklungen an dem hochseitigen Knoten N3 gebildet.
9 zeigt auf schematische Weise Stromflüsse in der Leistungsumwandlungsvorrichtung 100, die auftreten, wenn die SW der zwei Umschaltschaltungen 110 und die FET des ersten Inverters 120 in dem dritten Zustand sind. 9 zeigt Stromflüsse bei einem Motorphasenwinkel von beispielsweise 270°. Die drei durchgehenden Linien stellen Ströme dar, die von der Leistungsversorgung 101 zu dem Motor 200 fließen.
In dem in 9 gezeigten Zustand sind in dem zweiten Inverter 130 die FET 131H, 132L und 133L eingeschaltet und die FET 131L, 132H und 133H sind ausgeschaltet. Ein Strom, der durch den FET 131H des zweiten Inverters 130 fließt, fließt durch die Wicklung M1 und den FET 121H des ersten Inverters 120 zu dem Nullpunkt. Ein Teil des Stroms fließt durch den FET 122H zu der Wicklung M2 und der verbleibende Strom fließt durch den FET 123H zu der Wicklung M3. Die Ströme, die durch die Wicklungen M2 und M3 fließen, fließen durch das SW 112 für den zweiten Inverter 130 zu der GND.
9 zeigt einen Nullphasenstrom I₀, der durch die Diode 113D der Schutzschaltung PC3 fließt, wenn die Steuerung von der unter normalen Bedingungen erfolgenden Steuerung zu der unter anormalen Bedingungen erfolgenden Steuerung umgeschaltet wird. Wenn der Nullphasenstrom einen positiven Wert aufweist, kann ein Vorwärtsstrom durch die Diode 113D fließen.
Die Leistungsumwandlungsvorrichtung 100 treibt den Motor 200 unter Verwendung des auf der hohen Seite des ersten Inverters 120 gebildeten Nullpunktes und des zweiten Inverters 130 an. Die Steuerschaltung 300 kann die Umschaltvorgänge der FET der Brückenschaltung R derart durch eine PWM-Steuerung steuern, dass beispielsweise die Stromwellenformen aus 8 erhalten werden.
Bei dieser Steuerung ist die Leistungsversorgung 101 nicht elektrisch mit dem ersten Inverter 120 verbunden und daher fließt kein Strom von der Leistungsversorgung 101 in den Nullpunkt des ersten Inverters 120. Zusätzlich dazu ist der erste Inverter 120 nicht elektrisch mit der GND verbunden und daher fließt kein Strom von dem ersten Inverter 120 zu der GND.
In dem Fall eines Leerlaufausfalls in dem tiefseitigen Umschaltelement (der FET 121L) ist der Zustand der SW der zwei Umschaltschaltungen 110 und der FET des ersten Inverters 120 nicht auf den dritten Zustand beschränkt. Beispielsweise kann die Steuerschaltung 300 diese SW und FET in einen vierten Zustand versetzen. In dem vierten Zustand ist in den zwei Umschaltschaltungen 110 das SW 113 ausgeschaltet und das SW 111 ist eingeschaltet und die SW 112 und 114 sind eingeschaltet. Zusätzlich dazu sind in dem ersten Inverter 120 die FET 122L und 123L außer dem ausgefallenen FET 121L ausgeschaltet und die FET 121H, 122H und 123H sind eingeschaltet. Der dritte Zustand unterscheidet sich von dem vierten Zustand darin, ob das SW 111 eingeschaltet ist oder nicht. Ein Grund dafür, dass das SW 111 eingeschaltet sein kann, ist, dass in dem Fall eines Leerlaufausfalls in dem FET 121L alle tiefseitigen Umschaltelemente in den offenen Zustand versetzt werden, wenn die FET 122L und 123L dahingehend gesteuert werden, ausgeschaltet zu sein, und daher in diesem Fall kein Strom zu der GND fließt, selbst wenn das SW 111 eingeschaltet ist. Somit kann das SW 111 in dem Fall eines Leerlaufausfalls entweder ein- oder ausgeschaltet sein.
(Tiefseitiges Umschaltelement - Kurzschlussausfall)
Beschrieben wird die Steuerung unter anomalen Bedingungen, die in dem Fall eines Kurzschlussausfalls in einem der drei tiefseitigen Umschaltelemente in der Brückenschaltung des ersten Inverters 120 ausgeführt wird.
Es wird angenommen, dass von den tiefseitigen Umschaltelementen (die FET 121L, 122L und 123L) des ersten Inverters 120 ein Kurzschlussausfall in dem FET 121L aufgetreten ist. Es ist zu beachten, dass die Leistungsumwandlungsvorrichtung 100 in dem Fall eines Kurzschlussausfalls in dem FET 122L und 123L auch durch eines der unten beschriebenen Steuerverfahren gesteuert werden kann.
In dem Fall eines Kurzschlussausfalls in dem FET 121L versetzt die Steuerschaltung 300 die SW 111, 112, 113 und 114 der zwei Umschaltschaltungen 110 und die FET 121H, 122H, 123H, 122L und 123L des ersten Inverters 120 wie in dem Fall eines Leerlaufausfalls in den dritten Zustand. Es ist zu beachten, dass in dem Fall eines Kurzschlussausfalls ein Strom von dem kurzgeschlossenen FET 121L in die GND fließt, falls das SW 111 eingeschaltet ist. Daher ist die Steuerung in dem vierten Zustand untersagt.
10 zeigt auf schematische Weise Stromflüsse in der Leistungsumwandlungsvorrichtung 100, die auftreten, wenn die SW der zwei Umschaltschaltungen 110 und die FET des ersten Inverters 120 in dem dritten Zustand sind. 10 zeigt Stromflüsse bei einem Motorphasenwinkel von beispielsweise 270°. Die drei durchgehenden Linien stellen Ströme dar, die von der Leistungsversorgung 101 zu dem Motor 200 fließen, und eine lange durchgezogene Linie stellt einen durch den FET 121L fließenden Strom dar.
In dem in 10 gezeigten Zustand sind in dem zweiten Inverter 130 die FET 131H, 132L und 133L eingeschaltet und die FET 131L, 132H und 133H sind ausgeschaltet. Ein Strom, der durch den FET 131H des zweiten Inverters 130 fließt, fließt durch die Wicklung M1 und den FET 121H des ersten Inverters 120 zu dem Nullpunkt. Ein Teil des Stroms fließt durch den FET 122H zu der Wicklung M2 und der verbleibende Strom fließt durch den FET 123H zu der Wicklung M3. Die Ströme, die durch die Wicklungen M2 und M3 fließen, fließen durch das SW 112 für den zweiten Inverter 130 zu der GND. Zusätzlich dazu fließt ein Freilaufstrom durch die Freilaufdiode des FET 131L in einer Richtung zu der Wicklung M1 des Motors 200 hin. Ferner fließt in dem Fall eines Kurzschlussausfalls ein Strom von dem kurzgeschlossenen FET 121L zu dem tiefseitigen Knoten N1, im Gegensatz zu dem Fall eines Leerlaufausfalls. Ein Teil des Stroms fließt durch die Freilaufdiode des FET 122L zu der Wicklung M2 und der verbleibende Strom fließt durch die Freilaufdiode des FET 123L zu der Wicklung M3. Die Ströme, die durch die Wicklungen M2 und M3 fließen, fließen durch das SW 112 zu der GND.
Die Werte von Strömen, die durch die Wicklungen bei jedem vorbestimmten Motorphasenwinkel fließen, sind beispielsweise wie in Tabelle 2 gezeigt.
Die Leistungsumwandlungsvorrichtung 100 treibt den Motor 200 unter Verwendung des auf der hohen Seite des ersten Inverters 120 gebildeten Nullpunktes und des zweiten Inverters 130 an. Die Steuerschaltung 300 kann die Umschaltvorgänge der FET der Brückenschaltung R derart durch eine PWM-Steuerung steuern, dass beispielsweise die Stromwellenformen aus 8 erhalten werden.
Bei dieser Steuerung ist die Leistungsversorgung 101 nicht elektrisch mit dem ersten Inverter 120 verbunden und daher fließt kein Strom von der Leistungsversorgung 101 in den Nullpunkt des ersten Inverters 120. Zusätzlich dazu ist der erste Inverter 120 nicht elektrisch mit der GND verbunden und daher fließt kein Strom von dem ersten Inverter 120 zu der GND.
(Leistungsversorgung-seitiges Umschaltelement - Leerlaufausfall)
Beschrieben wird die Steuerung unter anomalen Bedingungen, die in dem Fall eines Leerlaufausfalls in dem SW 113 und der Leistungsversorgung-seitigen Umschaltschaltung 110 ausgeführt wird.
Es wird angenommen, dass ein Leerlaufausfall in dem SW 113 der Leistungsversorgung-seitigen Umschaltschaltung 110 aufgetreten ist. In diesem Fall versetzt die Steuerschaltung 300 die SW 111, 112 und 114 der zwei Umschaltschaltungen 110 und die FET 121H, 122H, 123H, 121L, 122L und 123L des ersten Inverters 120 in einen fünften Zustand. In dem fünften Zustand ist in den zwei Umschaltschaltungen 110 das SW 111 ausgeschaltet und die SW 112 und 114 sind eingeschaltet. Zusätzlich dazu sind in dem ersten Inverter 120 die FET 121L, 122L und 123L eingeschaltet und die FET 121H, 122H und 123H sind ausgeschaltet.
In dem fünften Zustand ist der erste Inverter 120 elektrisch von der Leistungsversorgung 101 und der GND getrennt und der zweite Inverter 130 ist elektrisch mit der Leistungsversorgung 101 und der GND verbunden, da das SW 113 in dem offenen Zustand ist. Zusätzlich dazu sind alle drei tiefseitigen Umschaltelemente des ersten Inverters 120 eingeschaltet und daher ist ein Nullpunkt für die Wicklungen in dem tiefseitigen Knoten N1 gebildet.
11 zeigt auf schematische Weise Stromflüsse in der Leistungsumwandlungsvorrichtung 100, die auftreten, wenn die SW der zwei Umschaltschaltungen 110 und die FET des ersten Inverters 120 in dem fünften Zustand sind. 11 zeigt Stromflüsse bei einem Motorphasenwinkel von beispielsweise 270°. Die drei durchgehenden Linien stellen Ströme dar, die von der Leistungsversorgung 101 zu dem Motor 200 fließen.
In dem in 11 gezeigten Zustand sind in dem zweiten Inverter 130 die FET 131H, 132L und 133L eingeschaltet und die FET 131L, 132H und 133H sind ausgeschaltet. Ein Strom, der durch den FET 131H des zweiten Inverters 130 fließt, fließt durch die Wicklung M1 und den FET 121L des ersten Inverters 120 zu dem Nullpunkt. Ein Teil des Stroms fließt durch den FET 122L zu der Wicklung M2 und der verbleibende Strom fließt durch den FET 123L zu der Wicklung M3. Die Ströme, die durch die Wicklungen M2 und M3 fließen, fließen durch das SW 112 für den zweiten Inverter 130 zu der GND. Beispielsweise sind die Werte von Strömen, die durch die Wicklungen bei jedem vorbestimmten Motorphasenwinkel fließen, wie in Tabelle 2 gezeigt.
Die Leistungsumwandlungsvorrichtung 100 treibt den Motor 200 unter Verwendung des auf der tiefen Seite des ersten Inverters 120 gebildeten Nullpunktes und des zweiten Inverters 130 an. Die Steuerschaltung 300 kann die Umschaltvorgänge der FET der Brückenschaltung R derart durch eine PWM-Steuerung steuern, dass beispielsweise die Stromwellenformen aus 8 erhalten werden. Die Werte von Strömen, die bei jedem vorbestimmten Motorphasenwinkel durch die Wicklungen fließen, sind beispielsweise wie in Tabelle 2 gezeigt.
In dem Fall eines Leerlaufausfalls in dem SW 113 kann ein Nullpunkt auf der tiefen Seite oder auf der hohen Seite gebildet werden. Die Steuerschaltung 300 kann die SW 111, 112 und 114 der zwei Umschaltschaltungen 110 und die FET 121H, 122H, 123H, 121L, 122L und 123L des ersten Inverters 120 in einen sechsten Zustand versetzen. In dem sechsten Zustand sind in den zwei Umschaltschaltungen 110 die SW 112 und 114 eingeschaltet. Zusätzlich dazu sind in dem ersten Inverter 120 die FET 121L, 122L und 123L ausgeschaltet und die FET 121H, 122H und 123H sind eingeschaltet. Das SW 111 der GND-seitigen Umschaltschaltung 110 kann entweder ein- oder ausgeschaltet sein.
In dem sechsten Zustand ist der erste Inverter 120 elektrisch von der Leistungsversorgung 101 der GND getrennt und der zweite Inverter 130 ist elektrisch mit der Leistungsversorgung 101 und der GND verbunden, da das SW 113 in dem offenen Zustand ist. Zusätzlich dazu sind alle drei tiefseitigen Umschaltelemente des ersten Inverters 120 eingeschaltet und daher ist ein Nullpunkt für die Wicklungen an dem hochseitigen Knoten N3 gebildet.
12 zeigt auf schematische Weise Stromflüsse in der Leistungsumwandlungsvorrichtung 100, die auftreten, wenn die SW der zwei Umschaltschaltungen 110 und die FET des ersten Inverters 120 in dem sechsten Zustand sind. 12 zeigt Stromflüsse bei einem Motorphasenwinkel von beispielsweise 270°. Die drei durchgehenden Linien stellen Ströme dar, die von der Leistungsversorgung 101 zu dem Motor 200 fließen.
Die Leistungsumwandlungsvorrichtung 100 treibt den Motor 200 unter Verwendung des auf der hohen Seite des ersten Inverters 120 gebildeten Nullpunktes und des zweiten Inverters 130 an. Die Steuerschaltung 300 kann die Umschaltvorgänge der FET der Brückenschaltung R derart durch eine PWM-Steuerung steuern, dass beispielsweise die Stromwellenformen aus 8 erhalten werden.
Bei dieser Steuerung ist die Leistungsversorgung 101 nicht elektrisch mit dem ersten Inverter 120 verbunden und daher fließt kein Strom von der Leistungsversorgung 101 in den Nullpunkt des ersten Inverters 120. Unabhängig davon, ob das SW 111 eingeschaltet oder ausgeschaltet ist, sind zusätzlich dazu alle tiefseitigen Umschaltelemente ausgeschaltet, und daher fließt kein Strom von dem ersten Inverter 120 zu der GND.
In dem Fall eines Leerlaufausfalls in dem SW 113 ist der Zustand der SW der zwei Umschaltschaltungen 110 und der FET des ersten Inverters 120 nicht auf den fünften oder sechsten Zustand beschränkt. Beispielsweise kann die Steuerschaltung 300 diese FET in einen siebten Zustand versetzen. In dem siebten Zustand ist in den zwei Umschaltschaltungen 110 das SW 111 ausgeschaltet und die SW 112 und 114 sind eingeschaltet. Zusätzlich dazu sind in dem ersten Inverter 120 die FET 121L, 122L und 123L eingeschaltet und zumindest einer der FET 121H, 122H und 123H ist eingeschaltet. Der siebte Zustand unterscheidet sich von dem fünften Zustand darin, dass zumindest eines der hochseitigen Umschaltelemente eingeschaltet ist.
Wenn beispielsweise ein FET der drei hochseitigen Umschaltelemente eingeschaltet ist, fließt aufgrund der Freilaufdioden der anderen zwei FET bei bestimmten Phasenwinkeln kein Strom durch diesen FET. Beispielsweise fließt ein Strom in dem in 11 gezeigten fünften Zustand nicht auf der hohen Seite, wenn der Motorphasenwinkel 270° beträgt, falls der FET 121H eingeschaltet ist und die anderen FET 122H und 123H ausgeschaltet sind. Wenn der Motorphasenwinkel in Tabelle 2 180° - 360° beträgt, fließt kein Strom auf der hohen Seite. Unterdessen fließt in dem in 11 gezeigten fünften Zustand der FET ein Freilaufstrom durch die Freilaufdiode des FET 122H zu dem FET 121H, wenn der Motorphasenwinkel in Tabelle 2 0° - 120° beträgt, falls der FET 121H eingeschaltet ist und die anderen FET 122H und 123H ausgeschaltet sind. Wenn der Motorphasenwinkel in Tabelle 2 60° - 180° beträgt, fließt ein Freilaufstrom durch die Freilaufdiode des FET 123H zu dem FET 121H. Es ist zu beachten, dass kein Strom von der Leistungsversorgung 101 zu dem hochseitigen Knoten N3 fließt, da ein Leerlaufausfall in dem SW 113 aufgetreten ist. Falls somit zumindest eines der hochseitigen Umschaltelemente eingeschaltet ist, kann ein Strom nebengeschlossen werden, d. h., Ströme können auf eine stärker verteilte Weise fließen, wenn der Motorphasenwinkel in einem bestimmten Bereich ist, was eine Reduktion des Wärmeeinflusses zur Folge hat.
Falls alle hochseitigen Umschaltelemente eingeschaltet sind, sind zwei Nullpunkte auf der tiefen Seite und der hohen Seite gebildet. Es ist zu beachten, dass kein Strom von der Leistungsversorgung 101 zu dem Nullpunkt auf dem hochseitigen Knoten fließt, da ein Leerlaufausfall in dem FET 113 aufgetreten ist. Ein Strom kann unter Verwendung der zwei Nullpunkte nebengeschlossen werden, d. h., Ströme können auf eine stärker verteilte Weise fließen, was eine Reduktion des Wärmeeinflusses auf den Inverter zur Folge hat.
(Leistungsversorgung-seitiges Umschaltelement - Kurzschlussausfall)
Beschrieben wird die Steuerung unter anomalen Bedingungen, die in dem Fall eines Kurzschlussausfalls in dem SW 113 der Leistungsversorgung-seitigen Umschaltschaltung 110 ausgeführt wird.
Es wird angenommen, dass in dem SW 113 der Leistungsversorgung-seitigen Umschaltschaltung 110 ein Kurzschlussausfall aufgetreten ist. In diesem Fall versetzt die Steuerschaltung 300 die SW 111, 112 und 114 der zwei Umschaltschaltungen 110 und die FET 121H, 122H, 123H, 121L, 122L und 123L des ersten Inverters 120 in den fünften Zustand. Es ist zu beachten, dass ein Strom durch das SW 113 zu dem hochseitigen Ein-Zustand-Umschaltelement fließt, falls zumindest eines der hochseitigen Umschaltelemente eingeschaltet ist. Daher ist die Steuerung in dem siebten Zustand untersagt.
Wie in dem Fall eines Leerlaufausfalls sind alle drei tiefseitigen Umschaltelemente eingeschaltet, so dass ein Nullpunkt für die Wicklungen an dem tiefseitigen Knoten N1 gebildet ist. Die Leistungsumwandlungsvorrichtung 100 treibt den Motor 200 unter Verwendung des auf der tiefen Seite des ersten Inverters 120 gebildeten Nullpunktes und des zweiten Inverters 130 an. Die Steuerschaltung 300 kann die Umschaltvorgänge der FET der Brückenschaltung R derart durch eine PWM-Steuerung steuern, dass beispielsweise die Stromwellenformen aus 8 erhalten werden. Beispielsweise sind in dem fünften Zustand in dem Fall eines Kurzschlussausfalls die Stromflüsse in der Leistungsumwandlungsvorrichtung 100 bei einem Phasenwinkel von 270° wie in 11 gezeigt. Die Werte von Strömen, die bei jedem vorbestimmten Motorphasenwinkel durch die Wicklungen fließen, sind wie in Tabelle 2 gezeigt.
Bei dieser Steuerung sind alle hochseitigen Umschaltelemente ausgeschaltet und daher fließt kein Strom von der Leistungsversorgung 101 in den ersten Inverter 120, unabhängig von dem Auftreten eines Kurzschlusses in dem SW 113. Zusätzlich dazu ist der erste Inverter 120 nicht elektrisch mit der GND verbunden und daher fließt ein Strom, der durch den Nullpunkt fließt, nicht zu der GND.
(GND-seitiges Umschaltelement - Leerlaufausfall)
Beschrieben wird die Steuerung unter anomalen Bedingungen, die in dem Fall eines Leerlaufausfalls in dem SW 111 der GND-seitigen Umschaltschaltung 110 ausgeführt wird.
Es wird angenommen, dass ein Leerlaufausfall in dem SW 111 der GND-seitigen Umschaltschaltung 110 aufgetreten ist. In diesem Fall versetzt die Steuerschaltung 300 die SW 112, 113 und 114 der zwei Umschaltschaltungen 110 und die FET 121H, 122H, 123H, 121L, 122L und 123L des ersten Inverters 120 in einen achten Zustand. In dem achten Zustand ist in den zwei Umschaltschaltungen 110 das SW 113 ausgeschaltet und die SW 112 und 114 sind eingeschaltet. Zusätzlich dazu sind in dem ersten Inverter 120 die FET 121L, 122L und 123L ausgeschaltet und die FET 121H, 122H und 123H sind eingeschaltet.
In dem achten Zustand ist der erste Inverter 120 elektrisch von der Leistungsversorgung 101 und der GND getrennt und der zweite Inverter 130 ist elektrisch mit der Leistungsversorgung 101 und der GND verbunden, da das SW 111 in dem offenen Zustand ist. Zusätzlich dazu sind alle drei hochseitigen Umschaltelemente des ersten Inverters 120 eingeschaltet und daher ist ein Nullpunkt für die Wicklungen an dem hochseitigen Knoten N3 gebildet.
13 zeigt auf schematische Weise Stromflüsse in der Leistungsumwandlungsvorrichtung 100, die auftreten, wenn die SW der zwei Umschaltschaltungen 110 und die FET des ersten Inverters 120 in dem achten Zustand sind. 13 zeigt Stromflüsse bei einem Motorphasenwinkel von beispielsweise 270°. Die drei durchgehenden Linien stellen Ströme dar, die von der Leistungsversorgung 101 zu dem Motor 200 fließen, und eine gestrichelte Line stellt einen Freilaufstrom dar, der zu der Wicklung M1 des Motors 200 zurückfließt.
In dem in 13 gezeigten Zustand sind in dem zweiten Inverter 130 die FET 131H, 132L und 133L eingeschaltet und die FET 131L, 132H und 133H sind ausgeschaltet. Ein Strom, der durch den FET 131H des zweiten Inverters 130 fließt, fließt durch die Wicklung M1 und den FET 121H des ersten Inverters 120 zu dem Nullpunkt. Ein Teil des Stroms fließt durch den FET 122H zu der Wicklung M2 und der verbleibende Strom fließt durch den FET 123H zu der Wicklung M3. Die Ströme, die durch die Wicklungen M2 und M3 fließen, fließen durch das SW 112 für den zweiten Inverter 130 zu der GND. Zusätzlich dazu fließt ein Freilaufstrom durch die Freilaufdiode des FET 131L in einer Richtung zu der Wicklung M1 des Motors 200 hin.
Die Leistungsumwandlungsvorrichtung 100 treibt den Motor 200 unter Verwendung des auf der hohen Seite des ersten Inverters 120 gebildeten Nullpunktes und des zweiten Inverters 130 an. Die Steuerschaltung 300 kann die Umschaltvorgänge der FET der Brückenschaltung R derart durch eine PWM-Steuerung steuern, dass beispielsweise die Stromwellenformen aus 8 erhalten werden. Die Werte von Strömen, die bei jedem vorbestimmten Motorphasenwinkel durch die Wicklungen fließen, sind beispielsweise wie in Tabelle 2 gezeigt.
Bei dieser Steuerung ist die Leistungsversorgung 101 nicht elektrisch mit dem ersten Inverter 120 verbunden und daher fließt kein Strom von der Leistungsversorgung 101 in den Nullpunkt des ersten Inverters 120. Zusätzlich dazu ist das ausgefallene SW 111 in dem offenen Zustand und daher fließt kein Strom von dem ersten Inverter 120 zu der GND.
In dem Fall eines Leerlaufausfalls in dem SW 111 ist der Zustand der SW der zwei Umschaltschaltungen 110 und der FET des ersten Inverters 120 nicht auf den achten Zustand beschränkt. Beispielsweise kann die Steuerschaltung 300 diese SW und FET in einen neunten Zustand versetzen. In dem neunten Zustand ist in den zwei Umschaltschaltungen 110 das SW 113 ausgeschaltet und die SW 112 und 114 sind eingeschaltet. Zusätzlich dazu ist in dem ersten Inverter 120 zumindest einer der FET 121L, 122L und 123L eingeschaltet und die FET 121H, 122H und 123H sind eingeschaltet. Der neunte Zustand unterscheidet sich von dem achten Zustand darin, dass zumindest eines der tiefseitigen Umschaltelemente eingeschaltet ist.
Wenn beispielsweise ein FET der drei tiefseitigen Umschaltelemente eingeschaltet ist, fließt aufgrund der Freilaufdioden der anderen zwei FET bei bestimmten Motorphasenwinkeln kein Strom durch diesen FET. Beispielsweise fließt in dem in 13 gezeigten achten Zustand der FET ein Freilaufstrom durch den FET 121L zu den Freilaufdioden der FET 122L und 123L, wenn der Motorphasenwinkel 270° beträgt, falls der FET 121L eingeschaltet ist und die anderen FET 122L und 123L ausgeschaltet sind. Wenn der Motorphasenwinkel in Tabelle 2 180° - 360° beträgt, fließt ein Strom auf der tiefen Seite. Es ist zu beachten, dass kein Strom von dem Nullpunkt auf der tiefen Seite zu der GND fließt, da ein Leerlaufausfall in dem SW 111 aufgetreten ist. Falls somit zumindest eines der tiefseitigen Umschaltelemente eingeschaltet ist, kann ein Strom nebengeschlossen werden, d. h., Ströme können auf eine stärker verteilte Weise fließen, wenn der Motorphasenwinkel in einem bestimmten Bereich liegt, was eine Reduktion des Wärmeeinflusses zur Folge hat.
Falls alle tiefseitigen Umschaltelemente eingeschaltet sind, sind zwei Nullpunkte auf der tiefen Seite und der hohen Seite gebildet. Es ist zu beachten, dass kein Strom durch den Nullpunkt auf der tiefen Seite zu der GND fließt, da ein Leerlaufausfall in dem FET 111 aufgetreten ist. Ein Strom kann unter Verwendung der zwei Nullpunkte nebengeschlossen werden, d. h., Ströme können auf eine stärker verteilte Weise fließen, was eine Reduktion des Wärmeeinflusses auf den Inverter zur Folge hat.
(GND-seitiges Umschaltelement - Kurzschlussausfall)
Beschrieben wird die Steuerung unter anomalen Bedingungen, die in dem Fall eines Kurzschlussausfalls in dem SW 111 der GND-seitigen Umschaltschaltung 110 ausgeführt wird.
Es wird angenommen, dass in dem SW 111 der GND-seitigen Umschaltschaltung 110 ein Kurzschlussausfall aufgetreten ist. In diesem Fall versetzt die Steuerschaltung 300 die SW 112, 113 und 114 der zwei Umschaltschaltungen 110 und die FET 121H, 122H, 123H, 121L, 122L und 123L des ersten Inverters 120 in den achten Zustand. Es ist zu beachten, dass ein Strom durch das SW 111 zu der GND fließt, falls zumindest eines der tiefseitigen Umschaltelemente eingeschaltet ist. Daher ist die Steuerung in dem neunten Zustand untersagt.
Wie in dem Fall eines Leerlaufausfalls sind alle drei hochseitigen Umschaltelemente eingeschaltet, so dass ein Nullpunkt für die Wicklungen an dem hochseitigen Knoten N3 gebildet ist. Die Leistungsumwandlungsvorrichtung 100 treibt den Motor 200 unter Verwendung des auf der hohen Seite des ersten Inverters 120 gebildeten Nullpunktes und des zweiten Inverters 130 an. Die Steuerschaltung 300 kann die Umschaltvorgänge der FET der Brückenschaltung R derart durch eine PWM-Steuerung steuern, dass beispielsweise die Stromwellenformen aus 8 erhalten werden. In dem achten Zustand sind in dem Fall eines Kurzschlussausfalls die Stromflüsse in der Leistungsumwandlungsvorrichtung 100 bei einem Motorphasenwinkel von 270° beispielsweise wie in 13 gezeigt. Die Werte von Strömen, die bei jedem vorbestimmten Motorphasenwinkel durch die Wicklungen fließen, sind wie in Tabelle 2 gezeigt.
Bei dieser Steuerung fließt kein Strom von der Leistungsversorgung 101 in den Nullpunkt des ersten Inverters 120. Zusätzlich dazu sind alle tiefseitigen Umschaltelemente ausgeschaltet und daher fließt kein Strom von dem ersten Inverter 120 zu der GND, unabhängig von dem Auftreten eines Kurzschlusses in dem SW 111.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel kann bei der Steuerung unter anomalen Bedingungen ein Leistungsverlust verhindert oder reduziert werden und eine geschlossene Schleife eines Antriebsstromes kann dazu gebildet werden, eine geeignete Stromsteuerung zu erzielen. Außerdem kann die Schutzschaltung einen Bruch eines SW oder eines FET aufgrund eines Nullphasenstroms verhindern oder verringern.
Bei der vorliegenden Offenbarung ist die unter normalen Bedingungen erfolgende Steuerung nicht auf die obige Dreiphasenleitungssteuerung für separat steuernde Ströme, die durch Dreiphasenwicklungen fließen, beschränkt. Wie bei der Patentschrift Nr. 1 kann die Steuerung eine Leitungssteuerung zum Antreiben eines Motors unter Verwendung eines oder zweier Inverter sein, wobei in dem anderen Inverter ein Nullpunkt gebildet wird. Beispielsweise kann die Steuerschaltung 300 je nach der Drehzahl des Motors 200 zwischen den zwei Steuerungen umschalten. Gemäß der vorliegenden Offenbarung kann ein Nullphasenstrom, der während dieses Umschaltens auftreten kann, effektiv verringert werden. Insbesondere kann, falls die Leitungssteuerungen je nach Bedarf umgeschaltet werden, die Steuerungsleistungsfähigkeit verbessert werden, und Verluste wie beispielsweise ein Kupferverlust und ein Leistungsverlust bei einem FET können verringert werden.
Die Ein/Aus-Zustände von Umschaltelementen, die einen Nullpunkt in einem Inverter bilden, sind nicht auf den obigen ersten bis neunten Zustand beschränkt. Manche beispielhafte Sätze von Ein/Aus-Zuständen von Umschaltelementen, die einen Nullpunkt in einem Inverter bilden, werden nun beschrieben.
14A-14C zeigen andere Sätze von Ein/Aus-Zuständen von Umschaltelementen, die einen Nullpunkt in dem ersten Inverter 120 bilden.
Die Bildung eines Nullpunkts bedeutet, dass bewirkt wird, dass drei Knoten N11, N12 und N13, an denen die Schenkel der Brückenschaltung des Inverters 120 mit den jeweiligen Phasenwicklungen gekoppelt sind, gleiche Potenziale aufweisen. Wie in 14A gezeigt ist, kann bewirkt werden, dass die drei Knoten N11, N12 und N13 gleiche Potenziale aufweisen, indem alle Umschaltelemente in dem ersten Inverter 120 eingeschaltet werden. Folglich wird in dem ersten Inverter 120 ein Nullpunkt gebildet.
In dem Leitungszustand bei der unter normalen Bedingungen erfolgenden Steuerung kann der Motor 200 angetrieben werden, indem die Umschaltelemente des zweiten Inverters 130 ein- und ausgeschaltet werden, wobei durch die obige Technik ein Nullpunkt in dem ersten Inverter 120 gebildet wird. Außerdem kann beispielsweise im Fall eines Kurzschlussausfalls bei dem FET 121H des ersten Inverters 120 der Motor 200 unter Verwendung derselben Technik wie unter normalen Bedingungen angetrieben werden.
Wie in 14B gezeigt ist, kann bei der Brückenschaltung des ersten Inverters 120 bewirkt werden, dass die drei Knoten N11, N12 und N13 gleiche Potenziale aufweisen, indem die FET 121H, 122H, 122L und 123L eingeschaltet und indem der FET 121L ausgeschaltet wird. Der FET 123H ist entweder ein- oder ausgeschaltet. Beispielsweise ist dieses Muster anwendbar, wenn der erste Inverter 120 normal arbeitet oder wenn bei dem FET 123H ein Leerlauf- oder Kurzschlussausfall aufgetreten ist.
Wie in 14C gezeigt ist, kann bewirkt werden, dass die drei Knoten N11, N12 und N13 gleiche Potenziale aufweisen, indem die FET 121L, 122L und 123L in der Brückenschaltung des ersten Inverters 120 eingeschaltet werden. Die FET 121H, 122H und 123H sind entweder ein- oder ausgeschaltet. Beispielsweise ist dieses Muster anwendbar, wenn der erste Inverter 120 normal arbeitet oder wenn bei dem FET 123H ein Leerlauf- oder Kurzschlussausfall aufgetreten ist.
Unter Bezugnahme auf 15A-15D werden Variationen der Schaltungskonfigurationen der Leistungsumwandlungsvorrichtung 100 beschrieben.
Bei diesem Ausführungsbeispiel umfassen die zwei Umschaltschaltungen 110 der Leistungsumwandlungsvorrichtung die SW 111, 112, 113 und 114. Jedoch ist die vorliegende Offenbarung nicht darauf beschränkt. Die zwei Umschaltschaltungen 110 können zumindest eines der SW 111, 112, 113 und 114 umfassen. Beispielsweise können die zwei Umschaltschaltungen 110 die SW 111 und 113 der SW 111, 112, 113 und 114 umfassen.
15A zeigt eine Schaltungskonfiguration einer Leistungsumwandlungsvorrichtung 100A, die die Leistungsversorgung-seitige Umschaltschaltung einschließlich der SW 113 und 114 der zwei Umschaltschaltungen 110 umfasst. Bei dieser Variation kann beispielsweise in dem Fall eines Kurzschlussausfalls in dem FET 121H, falls das SW 113 ausgeschaltet ist, verhindert werden, dass ein Strom von der Leistungsversorgung 101 zu dem FET 121H fließt. Mit anderen Worten: Wenn der erste Inverter 120 nicht normal arbeitet, unterbricht das SW 113 die Verbindung zwischen der Leistungsversorgung 101 und dem ersten Inverter 120. Zusätzlich dazu sind die FET 121L, 122L und 123L ausgeschaltet und die FET 122H und 123H sind eingeschaltet, so dass ein Nullpunkt an dem hochseitigen Knoten N3 gebildet ist.
15B zeigt eine Schaltungskonfiguration einer Leistungsumwandlungsvorrichtung 100A, die die GND-seitige Umschaltschaltung einschließlich der SW 111 und 112 der zwei Umschaltschaltungen 110 umfasst. Bei dieser Variation kann beispielsweise in dem Fall eines Kurzschlussausfalls in dem FET 121L verhindert werden, falls das SW 111 ausgeschaltet ist, dass ein Strom durch den FET 121L zu der GND fließt. Mit anderen Worten: Wenn der erste Inverter 120 nicht normal arbeitet, unterbricht das SW 111 die Verbindung zwischen dem ersten Inverter 120 und der GND. Zusätzlich dazu sind die FET 121H, 122H und 123H ausgeschaltet und die FET 122L und 123L sind eingeschaltet, so dass ein Nullpunkt an dem tiefseitigen Knoten N1 gebildet ist.
15C zeigt eine Schaltungskonfiguration einer Leistungsumwandlungsvorrichtung 100A, die eine Umschaltschaltung 110 umfasst, die nur das SW 113 der obigen Umschaltelemente umfasst. Bei dieser Variation kann beispielsweise in dem Fall eines Kurzschlussausfalls in dem FET 121H verhindert werden, falls das SW 113 ausgeschaltet ist, dass ein Strom von der Leistungsversorgung 101 zu dem FET 121H fließt. Zusätzlich dazu sind die FET 121L, 122L und 123L ausgeschaltet und die FET 122H und 123H sind eingeschaltet, so dass ein Nullpunkt an dem hochseitigen Knoten N3 gebildet ist.
15D zeigt eine Schaltungskonfiguration einer Leistungsumwandlungsvorrichtung 100A, die eine Umschaltschaltung 110 umfasst, die nur das SW 111 der obigen Umschaltelemente umfasst. Bei dieser Variation kann beispielsweise in dem Fall eines Kurzschlussausfalls in dem FET 121L verhindert werden, falls das SW 111 ausgeschaltet ist, dass ein Strom von dem FET 121L zu der GND fließt. Zusätzlich dazu sind die FET 121H, 122H und 123H ausgeschaltet und die FET 122L und 123L sind eingeschaltet, so dass ein Nullpunkt an dem tiefseitigen Knoten N1 gebildet ist.
Es ist zu beachten, dass die zwei Umschaltschaltungen 110 lediglich entweder das SW 112 oder das SW 114 der obigen Umschaltelemente aufweisen können. Alternativ dazu können die zwei Umschaltschaltungen 110 jegliche Kombination der obigen Umschaltelemente aufweisen, d. h., einen oder mehrere ausgewählte aus den SW 111, 112, 113 und 114.
(Zweites Ausführungsbeispiel)
Die Schutzschaltung der vorliegenden Offenbarung kann anstelle einer Diode ein Widerstandselement, eine RC-Schaltung, die ein Widerstandselement und einen Kondensator umfasst, oder eine Kombination derselben aufweisen. Alternativ dazu kann die Schutzschaltung eine Snubber-Schaltung sein, die ein Widerstandselement, einen Kondensator und eine Diode usw. aufweist. Diese können dazu verwendet werden, eine Überspannung in einem Umschaltelement zu verhindern oder zu verringern und dadurch das Umschaltelement zu schützen, und können außerdem dazu verwendet werden, zu bewirken, dass ein Nullphasenstrom aus einer Inverterschaltung herausfließt, wodurch ein Bruch einer Elektronikkomponente verhindert oder verringert werden kann. Im Folgenden werden hauptsächlich mehrere Variationen der Schutzschaltung beschrieben.
16A-16C zeigen schematisch Schaltungskonfigurationen einer Leistungsumwandlungsvorrichtung 100B, die als Schutzschaltung ein Widerstandselement umfasst.
Wie in 16A gezeigt ist, können die Schutzschaltungen PC1, PC2, PC3 und PC4 Widerstandselemente 111R, 112R, 113R und 114R sein. Die Widerstandswerte der Widerstandselemente betragen beispielsweise etwa 40 kΩ, was ausreichend mehr ist als die Werte der Einschaltwiderstände der SW. Bei der unter normalen Bedingungen erfolgenden Steuerung sind die SW 111, 112, 113 und 114 in den zwei Umschaltschaltungen 110 eingeschaltet. In diesem Fall kann durch jedes der Widerstandselemente 111R, 112R, 113R und 114R ein schwacher Strom fließen, der von dem Verhältnis dieses Widerstandselements und des Einschaltwiderstands des entsprechenden SW abhängt. Man geht davon aus, dass Leistungsverluste bei den Widerstandselementen 111R, 112R, 113R und 114R einigermaßen niedrig sind. Falls ein Widerstandselement ausgewählt wird, das einen höheren Widerstandswert aufweist, kann ein Leistungsverlust, der durch einen unter normalen Bedingungen durch ein Widerstandselement fließenden Strom bewirkt wird, verhindert oder verringert werden. Wenn außerdem ein Widerstandselement als Schutzschaltung ausgewählt wird, kann die Schutzschaltung bei relativ niedrigen Kosten implementiert werden, wie bei einer Diode.
Die Schutzschaltung der vorliegenden Offenbarung kann eine Mehrzahl von Widerstandselementen umfassen, die in Reihe oder parallel miteinander gekoppelt sind. Die Anzahl von Widerstandselementen ist nicht auf zwei begrenzt und kann drei oder mehr betragen. Wie beispielsweise in 16B gezeigt ist, kann die Schutzschaltung PC3 zwei Widerstandselemente umfassen, die in Reihe miteinander gekoppelt sind. Wie beispielsweise in 16C gezeigt ist, kann die Schutzschaltung PC3 zwei parallel miteinander gekoppelte Widerstandselemente 113R umfassen. Die Schutzschaltungen PC1, PC2 und PC4 können auch jeweils zwei Widerstandselemente umfassen, die in Reihe oder parallel miteinander gekoppelt sind, wie bei der Schutzschaltung PC3. Bei der vorliegenden Offenbarung kann zumindest eine der vier Schutzschaltungen PC1, PC2, PC3 und PC4 eine Mehrzahl von Widerstandselementen umfassen, die in Reihe oder parallel miteinander gekoppelt sind.
17 zeigt schematisch eine Schaltungskonfiguration einer Leistungsumwandlungsvorrichtung 100B, die als Schutzschaltung eine RC-Schaltung umfasst.
Die Schutzschaltung der vorliegenden Offenbarung kann eine RC-Schaltung umfassen. 17 zeigt eine beispielhafte Schaltungskonfiguration, bei der vier Schutzschaltungen PC1, PC2, PC3 und PC4 eine RC-Schaltung umfassen. Man beachte, dass zumindest eine der vier Schutzschaltungen PC1, PC2, PC3 und PC4 eine RC-Schaltung umfassen kann. Die Kapazität des Kondensators wird gegebenenfalls je nach dem Betrag eines durch die Schutzschaltung fließenden Nullphasenstroms bestimmt. Die Schutzschaltung kann eine RC-Snubber-Schaltung oder eine RCD-Snubber-Schaltung, die ferner beispielsweise eine Diode umfasst, sein.
Falls als Schutzschaltung eine RC-Schaltung verwendet wird, kann ein spitzenartiges Hochspannungsrauschen, das auftreten würde, wenn ein SW ausgeschaltet wird, effektiv verhindert oder verringert werden. Die RC-Schaltung kann ferner Oberschwingungsstromkomponenten (Stromkomponenten, die nicht die Grundwelle sind), die auftreten würden, wenn jeder FET ein- oder ausgeschaltet wird, effektiv verhindern oder verringern.
Ferner kann ein Bruch eines SW selbst oder ein Bruch von Elektronikkomponenten um das SW herum verhindert oder verringert werden, und der Einfluss von elektromagnetischem Rauschen auf Elektronikkomponenten kann minimiert werden.
18A, 18B und 19 zeigen schematisch Variationen der Schaltungskonfiguration der Leistungsumwandlungsvorrichtung 100B.
Wie in 18A gezeigt ist, kann die Schutzschaltung PC3 beispielsweise durch eine Diode 113D und ein parallel mit derselben gekoppeltes Widerstandselement 113R implementiert werden. Wie in 18B gezeigt ist, kann die Schutzschaltung PC3 beispielsweise durch eine Diode 113D und eine parallel mit derselben gekoppelte RC-Schaltung implementiert werden. Die Schutzschaltungen PC1, PC2 und PC4 können eine ähnliche Konfiguration aufweisen wie die Schutzschaltung PC3.
19 zeigt eine beispielhafte Schaltungskonfiguration, bei der eine Diode und eine RC-Schaltung als Schutzschaltungen nebeneinander existieren. Die Schutzschaltungen müssen nicht unbedingt vom selben Typ sein. Wie in 19 gezeigt ist, können eine Diode und eine RC-Schaltung nebeneinander existieren. Alternativ dazu können ein Widerstandselement, eine Diode und eine RC-Schaltung nebeneinander existieren.
(Drittes Ausführungsbeispiel)
Eine Leistungsumwandlungsvorrichtung 100C gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel umfasst einen FET, der eine Parasitärdiode aufweist, als Umschaltelement in den zwei Umschaltschaltungen 110. Es werden nun vor allem Unterschiede zwischen dem dritten Ausführungsbeispiel und dem ersten und dem zweiten Ausführungsbeispiel beschrieben, und Merkmale, die diesen Ausführungsbeispielen gemeinsam sind, werden nicht beschrieben.
20 zeigt schematisch eine Schaltungskonfiguration einer Leistungsumwandlungsvorrichtung 100C dieses Ausführungsbeispiels.
Die Leistungsumwandlungsvorrichtung 100C umfasst FET 111, 112, 113 und 114 als Umschaltelemente 111, 112, 113 und 114. Die FET sind üblicherweise ein MOSFET. Hierin wird angenommen, dass eine parallel mit einem Umschaltelement gekoppelte Schutzschaltung eine Freilaufdiode des FET umfasst.
Die FET 113 und 114 in der Leistungsversorgung-seitigen Umschaltschaltung 110 sind derart angeordnet, dass ein Vorwärtsstrom durch Parasitärdioden 113D bzw. 114D in Richtung der Leistungsversorgung 101 fließt. Die FET 111 und 112 in der GND-seitigen Umschaltschaltung 110 sind derart angeordnet, dass ein Vorwärtsstrom durch Parasitärdioden 111D bzw. 112D in Richtung eines Inverters fließt.
Beispielsweise fließt im Fall eines Ausfalls in dem ersten Inverter 120 ein Nullphasenstrom durch die Parasitärdiode 111D des FET 111 oder die Parasitärdiode 113D des FET 113. Falls also ein FET als Umschaltelement verwendet wird, kann die Parasitärdiode als Schutzschaltung fungieren.
21 zeigt schematisch eine Schaltungskonfiguration einer Leistungsumwandlungsvorrichtung 100C, die ferner zwei FET zum Schutz vor Reverse Connection umfasst.
Wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben ist, kann die Leistungsumwandlungsvorrichtung 100C zwei FET 115 und 116 zum Schutz vor Reverse Connection umfassen. Die FET 113 und 115 sind derart angeordnet, dass die Richtungen der Parasitärdioden derselben zueinander entgegengesetzt sind. Die FET 114 und 116 sind derart angeordnet, dass die Richtungen der Parasitärdioden derselben zueinander entgegengesetzt sind. Die FET 115 und 116 sind immer eingeschaltet, und deshalb kann ein Nullphasenstrom durch die Parasitärdiode 113D oder 114D fließen.
22 zeigt schematisch eine weitere Schaltungskonfiguration der Leistungsumwandlungsvorrichtung 100C dieses Ausführungsbeispiels.
Wie in 22 gezeigt ist, kann ein Widerstandselement 111R beispielsweise parallel mit dem FET 111 gekoppelt sein. Beispielsweise wird angenommen, dass in allen FET 121H, 122H und 123H des ersten Inverters 120 ein Leerlaufausfall aufgetreten ist. In diesem Fall kann ein Nullphasenstrom nicht durch die Parasitärdiode des FET 111 fließen und kann durch das Widerstandselement 111R fließen. Mit anderen Worten kann bewirkt werden, dass ein Nullphasenstrom heraus fließt.
Bei der Leistungsumwandlungsvorrichtung der vorliegenden Offenbarung können ein mit einer Schutzschaltung gekoppeltes Umschaltelement und ein eine Parasitärdiode aufweisender FET nebeneinander existieren.
(Viertes Ausführungsbeispiel)
Fahrzeuge wie etwa PKW sind typischerweise mit einer elektrischen Servolenkungsvorrichtung ausgestattet. Die elektrische Servolenkungsvorrichtung erzeugt ein Hilfsdrehmoment, welches dem Lenkdrehmoment eines Lenksystems hinzugefügt wird, welches dadurch erzeugt wird, dass ein Fahrer ein Lenkrad dreht. Das Hilfsdrehmoment wird durch einen Hilfsdrehmomentmechanismus erzeugt und kann eine Belastung des Fahrers beim Drehen eines Lenkrades reduzieren. Beispielsweise kann der Hilfsdrehmomentmechanismus einen Lenkdrehmomentsensor, eine ECU, einen Motor und einen Verzögerungsmechanismus umfassen. Der Lenkdrehmomentsensor detektiert ein Lenkdrehmoment in dem Lenksystem. Die ECU erzeugt ein Antriebssignal auf der Basis eines Detektionssignals von dem Lenkdrehmomentsensor. Der Motor erzeugt ein Hilfsdrehmoment in Abhängigkeit von dem Lenkdrehmoment auf der Basis des Motorantriebssignals. Das Hilfsdrehmoment wird durch den Verzögerungsmechanismus an das Lenksystem übertragen.
Die Motorantriebseinheit 400 der vorliegenden Offenbarung wird vorzugsweise bei der elektrischen Servolenkungsvorrichtung verwendet.
23 zeigt auf schematische Weise eine typische Konfiguration einer elektrischen Servolenkungsvorrichtung 500 gemäß diesem Ausführungsbeispiel. Die elektrische Servolenkungsvorrichtung 500 umfasst ein Lenksystem 520 und einen Hilfsdrehmomentmechanismus 540.
Das Lenksystem 520 umfasst beispielsweise ein Lenkrad 521, eine Lenkwelle 522 (auch „Lenksäule“ genannt), universelle Kopplungen 523A und 523B, eine Drehwelle 524 (auch „Ritzelwelle“ oder „Eingangswelle“ genannt), einen Zahnstange- und Ritzelmechanismus 525, eine Zahnstangenwelle 526, ein rechtes und ein linkes Kugelgelenk 552A und 552B, Spurstangen 527A und 527B, Gelenke 528A und 528B, und ein linkes und ein rechtes lenkbares Rad (z. B. ein linkes und ein rechtes Vorderrad) 529A und 529B. Das Lenkrad 521 ist durch die Lenkwelle 522 und die universalen Kopplungen 523A und 523B mit der Drehwelle 524 verknüpft. Die Drehwelle 524 ist durch den Zahnstangen- und Ritzelmechanismus 525 mit der Zahnstangenwelle 526 verknüpft. Der Zahnstangen- und Ritzelmechanismus 525 weist ein Ritzel 531, das auf der Drehwelle 524 bereitgestellt ist, und eine Zahnstange 532 auf, die auf der Zahnstangenwelle 526 bereitgestellt ist. Ein rechtes Ende der Zahnstangenwelle 526 ist durch das Kugelgelenk 552A, die Spurstange 527A und das Gelenk 528A in dieser Reihenfolge mit dem rechten lenkbaren Rad 529A verknüpft, wobei sich das Kugelgelenk 552A am nächsten zu dem rechten Ende der Zahnstangenwelle 526A befindet. Wie bei der rechten Seite ist ein linkes Ende der Zahnstangenwelle 526 durch das Kugelgelenk 552B, die Spurstange 572B und das Gelenk 528B in dieser Reihenfolge mit dem linken lenkbaren Rad 529B verknüpft, wobei sich das Kugelgelenk 552B am nächsten zu dem linken Ende der Zahnstangenwelle 526 befindet. Hier entsprechen die rechte Seite und die linke Seite der rechten Seite bzw. linken Seite eines Fahrers, der in einem Sitz sitzt.
Bei dem Lenksystem 520 wird ein Lenkdrehmoment dadurch erzeugt, dass ein Fahrer das Lenkrad 521 dreht, und wird durch den Zahnstangen- und Ritzelmechanismus 525 zu dem linken und dem rechten lenkbaren Rad 529A und 529B übertragen. Folglich kann der Fahrer das linke und das rechte lenkbare Rad 529A und 529B steuern.
Der Hilfsdrehmomentmechanismus 540 umfasst beispielsweise einen Lenkdrehmomentsensor 541, eine ECU 542, einen Motor 543, einen Verzögerungsmechanismus 544 und eine Leistungsumwandlungsvorrichtung 545. Der Hilfsdrehmomentmechanismus 540 legt an dem Lenksystem 520 ein Hilfsdrehmoment an, einschließlich von dem Lenkrad 521 zu dem linken und dem rechten lenkbaren 529A und 529B. Es ist zu beachten, dass das Hilfsdrehmoment auch „Zusatzdrehmoment“ genannt werden kann.
Als ECU 542 kann die Steuerschaltung 300 dieses Ausführungsbeispiels verwendet werden. Als Leistungsumwandlungsvorrichtung 545 kann die Leistungsumwandlungsvorrichtung 100 dieses Ausführungsbeispiels verwendet werden. Der Motor 543 ist äquivalent zu dem Motor 200 dieses Ausführungsbeispiels. Als mechanisch und elektronisch integrierter Motor, der die ECU 542, den Motor 543 und die Leistungsumwandlungsvorrichtung 545 umfasst, kann vorzugsweise die Motorantriebseinheit 400 dieses Ausführungsbeispiels verwendet werden.
Der Lenkdrehmomentsensor 541 detektiert ein Lenkdrehmoment, das an dem Lenksystem 520 unter Verwendung des Lenkrades 521 angelegt wird. Die ECU 542 erzeugt ein Antriebssignal zum Antreiben des Motors 543 auf der Basis eines Detektionssignals (im Folgenden als „Drehmomentsignal“ bezeichnet) von dem Lenkdrehmomentsensor 541. Der Motor 543 erzeugt ein Hilfsdrehmoment in Abhängigkeit von dem Lenkdrehmoment auf der Basis des Antriebssignals. Das Hilfsdrehmoment wird durch den Verzögerungsmechanismus 544 auf die Drehwelle 524 des Lenksystems 520 übertragen. Der Verzögerungsmechanismus 544 ist beispielsweise ein Schneckengetriebemechanismus. Das Hilfsdrehmoment wird ferner von der Drehwelle 524 auf den Zahnstangen- und Ritzelmechanismus 525 übertragen.
Die elektrische Servolenkungsvorrichtung 500 kann gemäß einem Abschnitt des Lenksystems 520, zu dem das Hilfsdrehmoment hinzugefügt wird, in folgende Typen kategorisiert werden: Ritzelhilfstyp, Zahnstangenhilfstyp, Säulenhilfstyp, usw. 23 veranschaulicht die elektrische Servolenkungsvorrichtung 500 vom Ritzelhilfstyp. Es ist zu beachten, dass die elektrische Servolenkungsvorrichtung 500 vom Zahnstangenhilfstyp, Säulenhilfstyp, usw. sein kann.
Zusätzlich zu dem Drehmomentsignal kann beispielsweise ein Fahrzeuggeschwindigkeitssignal in die ECU 542 eingegeben werden. Ein Teil einer externen Ausrüstung 560 kann beispielsweise ein Fahrzeuggeschwindigkeitssensor sein. Alternativ dazu kann die externe Ausrüstung 560 beispielsweise eine weitere ECU sein, die mit der ECU 542 über ein fahrzeuginternes Netzwerk kommuniziert, z. B. ein Controller Area Network (CAN). Die Mikrosteuerung der ECU 542 kann an dem Motor 543 eine Vektorsteuerung oder eine PWM-Steuerung auf der Basis des Drehmomentsignals und des Geschwindigkeitssignals, usw. ausführen.
Die ECU 542 bestimmt einen gewünschten Stromwert zumindest auf der Basis des Drehmomentsignals. Die ECU 542 bestimmt den gewünschten Stromwert vorzugsweise unter Berücksichtigung des Fahrzeuggeschwindigkeitssignals, das durch den Fahrzeuggeschwindigkeitssensor detektiert wird, und zusätzlich dazu eines Rotordrehsignals, das durch einen Winkelsensor detektiert wird. Die ECU 542 kann ein Antriebssignal, d. h., einen Antriebsstrom, für den Motor 543 derart steuern, dass ein durch einen Stromsensor (nicht gezeigt) detektierter tatsächlicher Stromwert dem gewünschten Stromwert gleicht.
Die elektrische Servolenkungsvorrichtung 500 kann durch die Zahnstangenwelle 526 unter Verwendung eines Zusammensetzungsdrehmoments, das durch Hinzufügen des Hilfsdrehmoments des Motors 543 zum Lenkdrehmoment eines Fahrers erhalten wird, das linke und das rechte lenkbare Rad 529A und 529B steuern. Falls die Motorantriebseinheit 400 der vorliegenden Offenbarung auf den obigen mechanisch und elektronisch integrierten Motor angewandt wird, ist im Einzelnen eine elektrische Servolenkungsvorrichtung bereitgestellt, die eine Motorantriebseinheit umfasst, bei der die Qualität von Teilen verbessert sein kann und sowohl unter einer normalen als auch anomalen Bedingung eine geeignete Stromsteuerung ausgeführt werden kann.
INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT
Die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung können auf eine Vielzahl von Vorrichtungen angewendet werden, darunter verschiedene Motoren wie z. B. Staubsauger, Trockner, Deckenventilatoren, Waschmaschinen, Kühlschränke und elektrische Servolenkungsvorrichtungen.
Bezugszeichenliste

100: Leistungsumwandlungsvorrichtung
101: Leistungsversorgung
102: Spule
103: Kondensator
110: Umschaltschaltung
111: erstes Umschaltelement (SW)
112: zweites Umschaltelement (SW)
113: drittes Umschaltelement (SW)
114: viertes Umschaltelement (SW)
115: fünftes Umschaltelement
116: sechstes Umschaltelement
120: erster Inverter
121H, 122H, 123H: hochseitiges Umschaltelement (FET
121L, 122L, 123L: tiefseitiges Umschaltelement (FET)
121R, 122R, 123R: Nebenschlusswiderstand
130: zweiter Inverter
131H, 132H, 133H: hochseitiges Umschaltelement (FET)
131L, 132L, 133L: tiefseitiges Umschaltelement (FET)
131R, 132R, 133R: Nebenschlusswiderstand
150: Stromsensor
200: Elektromotor
300: Steuerschaltung
310: Leistungsversorgungsschaltung
320: Winkelsensor
330: Eingangsschaltung
340: Mikrosteuerung
350: Antriebsschaltung
360: ROM
400: Motorantriebseinheit
500: elektrische Servolenkungsvorrichtung
PC1, PC2, PC3, PC4: Schutzschaltung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 2014192950 [0008]

Claims

Eine Leistungsumwandlungsvorrichtung zum Umwandeln von Leistung von einer Leistungsversorgung in Leistung, die einem Motor mit n Phasenwicklungen (n ist eine Ganzzahl von drei oder mehr) zuzuführen ist, wobei die Vorrichtung folgende Merkmale aufweist: einen ersten Inverter, mit dem ein Ende jeder Phasenwicklung des Motors gekoppelt ist; einen zweiten Inverter, mit dem das andere Ende jeder Phasenwicklung gekoppelt ist; und eine Umschaltschaltung, die zumindest eines der Folgenden aufweist: ein erstes Umschaltelement, das zwischen einer Verbindung und einer Trennung des ersten Inverters mit und von einer Masse umschaltet, eine erste Schutzschaltung, die parallel mit dem ersten Umschaltelementgekoppelt ist, und ein zweites Umschaltelement, das zwischen einer Verbindung und einer Trennung des zweiten Inverters mit und von der Masse umschaltet, eine zweite Schutzschaltung, die parallel mit dem zweiten Umschaltelement gekoppelt ist.
Die Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der die erste und die zweite Schutzschaltung jeweils eine Diode umfassen.
Die Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, bei der die erste und die zweite Schutzschaltung jeweils eine RC-Schaltung umfassen.
Die Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1-3, bei der die erste und die zweite Schutzschaltung jeweils ein einzelnes Widerstandselement oder eine Mehrzahl von Widerstandselementen, die in Serie oder parallel miteinander gekoppelt sind, umfassen.
Die Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der die Umschaltschaltung das erste Umschaltelement und ein drittes Umschaltelement aufweist, das zwischen einer Verbindung und einer Trennung des ersten Inverters mit und von der Leistungsversorgung umschaltet, wobei eine dritte Schutzschaltung parallel mit dem dritten Umschaltelement gekoppelt ist.
Die Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der die Umschaltschaltung das erste und das zweite Umschaltelement aufweist.
Die Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß Anspruch 6, bei der die Umschaltschaltung ferner ein drittes Umschaltelement, das zwischen einer Verbindung und einer Trennung des ersten Inverters mit und von der Leistungsversorgung umschaltet, eine dritte Schutzschaltung, die parallel mit dem dritten Umschaltelement gekoppelt ist, und ein viertes Umschaltelement, das zwischen einer Verbindung und einer Trennung des zweiten Inverters mit und von der Leistungsversorgung umschaltet, eine vierte Schutzschaltung, die parallel mit dem vierten Umschaltelement gekoppelt ist, aufweist.
Die Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß Anspruch 7, bei der zumindest eine der ersten bis vierten Schutzschaltung eine Diode umfasst.
Die Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß Anspruch 7 oder 8, bei der zumindest eine der ersten bis vierten Schutzschaltung eine RC-Schaltung umfasst.
Die Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 7-9, bei der zumindest eine der ersten bis vierten Schutzschaltung ein einzelnes Widerstandselement oder eine Mehrzahl von in Reihe oder parallel miteinander gekoppelten Widerstandselementen umfasst.
Die Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß Anspruch 8, bei der die erste bis vierte Schutzschaltung jeweils eine Diode umfassen.
Die Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß Anspruch 9, bei der die erste bis vierte Schutzschaltung jeweils eine RC-Schaltung umfassen.
Die Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß Anspruch 10, bei der die erste bis vierte Schutzschaltung jeweils ein einzelnes Widerstandselement oder eine Mehrzahl von in Reihe oder parallel miteinander gekoppelten Widerstandselementen umfasst.
Die Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 7-13, bei der dann, wenn der erste Inverter nicht normal arbeitet, das dritte Umschaltelement den ersten Inverter von der Leistungsversorgung trennt.
Die Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 7-14, bei der dann, wenn der erste Inverter nicht normal arbeitet, das erste Umschaltelement den ersten Inverter von der Masse trennt.
Die Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß Anspruch 14 oder 15, bei der dann, wenn der erste Inverter nicht normal arbeitet, ein Nullpunkt für die n Phasenwicklungen in dem ersten Inverter gebildet wird.
Eine Motorantriebseinheit, die folgende Merkmale aufweist: den Motor; die Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1-16; und eine Steuerschaltung, die die Leistungsumwandlungsvorrichtung steuert.
Eine elektrische Servolenkungsvorrichtung, die Folgendes aufweist: die Motorantriebseinheit gemäß Anspruch 17.