本发明涉及一种电力转换装置。
背景技术：
一直以来，出于对电动汽车(EV：Electric Vehicle)或混合动力电动汽车(HEV：Hybrid Electric Vehicle)等车辆中所搭载的车辆行驶用马达进行驱动等目的而加以使用、将直流电转换为交流电的电力转换装置(逆变器)得到广泛利用。这种电力转换装置通常具有称为功率半导体元件的半导体元件作为开关元件，使用该功率半导体元件将直流电转换为交流电。
在如上所述的电力转换装置中，当因短路故障等而流动过电流时，有功率半导体元件被破坏之虞。因此，作为防止这种由过电流引起的功率半导体元件的破坏的技术，已知有专利文献1中所记载的电力转换装置。该电力转换装置具备具有发射极感测端子的晶体管作为开关元件，通过检测根据流至该晶体管的电流而输出自发射极感测端子的感测电流的大小来检测过电流。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利特开2013-192418号公报
技术实现要素：
发明要解决的问题
在专利文献1中所记载的电力转换装置中，是使用分流电阻或比较器来检测输出自开关元件的发射极感测端子的感测电流的大小。因而，在这些电路发生故障的情况下，无法准确地检测感测电流的大小，因此无法正确地进行过电流检测。结果，无法充分防止过电流流至开关元件，有导致开关元件的破坏之虞。
本发明是为了消除如上所述的以往的问题而成。本发明的主要目的在于诊断电力转换装置的对功率半导体元件的过电流检测功能是否正常。
解决问题的技术手段
本发明的电力转换装置包括：功率半导体元件，其具有发射电极和输出与流至所述发射电极的电流相应的感测电流的发射极感测端子，进行将供给自直流电源的直流电转换为交流电用的开关动作；过电流检测电路，其根据所述感测电流来检测流至所述功率半导体元件的过电流；以及过电流模拟电路，其将模拟所述过电流的模拟信号输出至所述过电流检测电路。
发明的效果
根据本发明，可诊断电力转换装置的对功率半导体元件的过电流检测功能是否正常。
附图说明
图1为表示本发明的一实施方式的电力转换装置的基本构成的图。
图2为表示本发明的一实施方式的电力转换装置中的过电流检测诊断电路的构成的图。
图3为表示过电流检测诊断电路的诊断计时的例子的图。
具体实施方式
图1为表示本发明的一实施方式的电力转换装置的基本构成的图。本实施方式的电力转换装置200包括逆变器装置140和电容器模块500。逆变器装置140具有逆变器电路144和控制部170。逆变器电路144具有3个上下臂串联电路150。各上下臂串联电路150由作为上臂进行动作的IGBT(绝缘栅型双极性晶体管)328及二极管156和作为下臂进行动作的IGBT 330及二极管166构成。逆变器装置140从各上下臂串联电路150的中点部分(中间电极169)经由交流端子159与通往电动发电机192的交流电线(交流母线)186连接。
控制部170具有：驱动电路174，其用以驱动控制逆变器电路144；以及控制电路172，其用以经由信号线176对驱动电路174供给控制信号。
电力转换装置200所具备的上臂的IGBT 328以及下臂的IGBT 330为开关用功率半导体元件。这些功率半导体元件接收输出自控制部170的驱动信号而进行动作，将供给自电池136的直流电转换为三相交流电。该转换后的电力供给至电动发电机192的电枢绕组。再者，逆变器装置140还可将电动发电机192所产生的三相交流电转换为直流电。
逆变器电路144由3相桥接电路构成，3相的各上下臂串联电路150电并联在直流正极端子314与直流负极端子316之间。直流正极端子314和直流负极端子316分别与电池136的正极侧和负极侧连接。
在本实施方式中，例示的是使用IGBT 328和330作为开关用功率半导体元件。IGBT 328、330分别包括集电极、发射电极及栅电极。如图所示，在IGBT 328、330的集电极与发射电极之间分别电连接有二极管156、166。二极管156、166分别包括阴极电极及阳极电极2个电极。二极管156、166的阴极电极和阳极电极以从IGBT 328、330的发射电极去往集电极的方向成为正向的方式分别与IGBT 328、330的集电极和发射电极电连接。
在逆变器电路144中，上下臂串联电路150对应于电动发电机192的电枢绕组的各相绕组而设置有3相。3个上下臂串联电路150分别形成经由连接IGBT 328的发射电极与IGBT 330的集电极的中间电极169以及交流端子159而通往电动发电机192的U相、V相、W相的各臂。上下臂串联电路150彼此电性并联。在各臂中，上臂的IGBT 328的集电极经由正极端子(P端子)157及直流正极端子314与电容器模块500的正极侧电容器电极电连接，下臂的IGBT 330的发射电极经由负极端子(N端子)158及直流负极端子316与电容器模块500的负极侧电容器电极电连接。各臂的中间电极169经由交流端子159及交流连接器188而分别与电动发电机192的电枢绕组的对应的相绕组电连接。进而，除了上述的正极端子157、负极端子158及交流端子159以外，各上下臂串联电路150还包括上臂用信号用端子155及栅电极端子154和下臂用信号用端子165及栅电极端子164。
电容器模块500用以构成平流电路，所述平流电路抑制因IGBT 328、330的开关动作而产生的直流电压的变动。电池136的正极侧经由正极侧电容器端子506及直流连接器138与电容器模块500的正极侧电容器电极电连接。电池136的负极侧经由负极侧电容器端子504及直流连接器138与电容器模块500的负极侧电容器电极电连接。由此，电容器模块500相对于各上下臂串联电路150而电性并联在上臂的IGBT 328的集电极与电池136的正极侧之间、以及下臂的IGBT 330的发射电极与电池136的负极侧之间。
控制部170用以使IGBT 328、330工作。在控制部170中，控制电路172根据来自其他控制装置或传感器等的输入信息来控制驱动电路174的动作、生成用以控制IGBT 328、330的开关时机的控制信号并输出至驱动电路174。驱动电路174根据输出自控制电路172的控制信号来生成用以控制IGBT 328、330的开关动作的驱动信号，并输出至IGBT 328、330。
控制电路172包括用以运算处理IGBT 328、330的开关时机的微型计算机(以下，记作“微机”)。对电动发电机192要求的目标转矩值、从上下臂串联电路150供给至电动发电机192的电枢绕组的电流值、电动发电机192的转子的磁极位置等作为输入信息而输入至微机。目标转矩值基于输出自未图示的上位控制装置的指令信号。电流值是根据从电流检测部180经由信号线182而输出的检测信号来检测得到。磁极位置是根据输出自电动发电机192中所设置的转动磁极传感器(未图示)的检测信号来检测得到。在本实施方式中，是以检测3相的电流值的情况为例进行列举说明，但也可检测2相的电流值。
控制电路172内的微机根据目标转矩值来运算电动发电机192的d、q轴的电流指令值，并根据该运算出的d、q轴的电流指令值与检测到的d、q轴的电流值的差分来运算d、q轴的电压指令值。此外，根据检测到的磁极位置，将运算出的d、q轴的电压指令值转换为U相、V相、W相的电压指令值。继而，微机根据基于U相、V相、W相的电压指令值的基波(正弦波)与载波(三角波)的比较来生成脉冲状的调制波(PWM信号)，并将该生成的PWM信号作为前文所述的控制信号而输出至驱动电路174。
在驱动下臂的情况下，驱动电路174将PWM信号放大，将其作为驱动信号而输出至对应的下臂的IGBT 330的栅电极。此外，在驱动上臂的情况下，驱动电路174将PWM信号的基准电位的电平改为上臂的基准电位的电平之后将PWM信号放大，将其作为驱动信号而输出至对应的上臂的IGBT 328的栅电极。由此，各IGBT 328、330根据所输入的驱动信号来进行开关动作。
接着，对电力转换装置200中的过电流检测功能进行说明。本实施方式的电力转换装置200具有对作为功率半导体元件的各IGBT 328、330的过电流检测功能。通过使用该过电流检测功能，电力转换装置200在过电流正流至IGBT 328、330中的任一方的情况下检测到过电流，从而停止对该IGBT的来自驱动电路174的驱动信号的输出。由此，可防止由过电流引起的IGBT 328、330的破坏。
进而，本实施方式的电力转换装置200还具有对上述过电流检测功能的诊断功能。通过使用诊断功能，电力转换装置200判断过电流检测功能是否在正常运行，在判断不正常的情况下发出警报等。由此，能可靠地防止因用以实现过电流检测功能的电路的故障等而导致IGBT 328、330被过电流破坏。
图2为表示用以实现上述过电流检测功能及诊断功能的、本发明的一实施方式的电力转换装置中的过电流检测诊断电路的构成的图。过电流检测诊断电路是与前文所述的控制电路172、驱动电路174及IGBT 328、330组合使用，包括对应于过电流检测功能的转矩安全电路210、发射极感测电路220、过电流检测电路230及输入电路240和对应于诊断功能的过电流模拟电路250、测试模式输出电路260及测试有效/无效标记输出电路270。在图1中，该过电流检测诊断电路内置于控制部170或逆变器电路144中。
再者，在图2中，仅图示有一个IGBT作为IGBT 328、330，且表示有与其对应设置的过电流检测诊断电路的构成，但实际上是对图1所示的各IGBT 328、330分别设置有图2那样的电路构成的过电流检测诊断电路。此处，也可在多个IGBT之间共用图2所示的电路构成的一部分或全部。下面，以与图1所示的IGBT 328、330中的一个IGBT 328相对应的过电流检测诊断电路为例进行列举说明。
转矩安全电路210是使用逻辑电路等而构成，配置在控制电路172与驱动电路174之间。平时，转矩安全电路210使来自控制电路172的控制信号211直接通过而输出至驱动电路174。但是，当针对IGBT 328而检测到过电流时，切断从控制电路172到驱动电路174的控制信号211的输出。由此，停止IGBT 328的开关动作，使得图1的电动发电机192的动作停止。此时，也可设为可通过从转矩安全电路210将预先设定好的规定控制信号代替控制信号211而输出至IGBT 328来安全地停止电动发电机192。再者，在针对IGBT 328而检测到过电压的情况下、或者电力转换装置200内的任一电路发生故障的情况下等，与检测到过电流的情况一样，也可通过转矩安全电路210来切断从控制电路172到驱动电路174的控制信号211的输出。
驱动电路174接收从控制电路172经由转矩安全电路210而输出的控制信号211，根据该控制信号211而将驱动信号212输出至IGBT 328的栅电极。IGBT 328根据该驱动信号212而进行开关动作，由此，直流电得以转换为交流电，从而驱动电动发电机192。
如图2所示，IGBT 328具有输出与流至发射电极的电流相应的感测电流的发射极感测端子340。具体而言，例如，从发射极感测端子340输出将从集电极流至发射电极的电流变为数百分之一左右之后的电流作为感测电流341。
发射极感测电路220与IGBT 328的发射极感测端子340连接，将与输出自发射极感测端子340的感测电流341的大小相应的电压信号221输出至过电流检测电路230。具体而言，发射极感测电路220具有例如具有规定电阻值的电阻器，使用该电阻器将感测电流341转换为电压信号221。继而，通过滤波电路去除噪声，之后将电压信号221输出至过电流检测电路230。
过电流检测电路230与发射极感测电路220连接，使用输出自发射极感测电路220的电压信号221来进行基于来自IGBT 328的感测电流341的过电流检测。具体而言，过电流检测电路230具有预先设置有用以判定为过电流的规定阈值电压(过电流阈值)的比较器等比较电路，使用该比较电路来比较电压信号221与过电流阈值，由此判定电压信号221是否在过电流阈值以上。结果，在判定电压信号221在过电流阈值以上的情况下，判断过电流正流至IGBT 328，从而将过电流检测信号231输出至输入电路240及驱动电路174。
驱动电路174经由开关273与过电流检测电路230连接。在开关273为导通状态时，若从过电流检测电路230输出过电流检测信号231，则过电流检测信号231输入至驱动电路174。当接收到该过电流检测信号231时，驱动电路174停止对IGBT 328输出驱动信号212。由此，过电流检测电路230可在检测到过电流的情况下禁止IGBT 328的开关动作。换句话说，过电流检测电路230具有在检测到过电流的情况下禁止IGBT 328的开关动作的开关禁止功能。再者，也可通过切断驱动信号212而不是停止来自驱动电路174的驱动信号212的输出来禁止IGBT 328的开关动作。
输入电路240是用以将输出自过电流检测电路230的过电流检测信号231输入至控制电路172及转矩安全电路210的电路，配置在过电流检测电路230与控制电路172及转矩安全电路210之间。输入电路240例如具有滤波电路，通过该滤波电路从过电流检测信号231中去除噪声等再输出至控制电路172及转矩安全电路210。
转矩安全电路210经由开关274与输入电路240连接。在开关274为导通状态时，若从过电流检测电路230输出过电流检测信号231，则过电流检测信号231经由输入电路240而输入至转矩安全电路210。当接收到该过电流检测信号231时，转矩安全电路210像前文所述那样切断从控制电路172到驱动电路174的控制信号211的输出，由此停止IGBT 328的开关动作。由此，在过电流检测电路230检测到过电流的情况下，可使转矩安全电路210动作。
过电流模拟电路250产生模拟流至IGBT 328的过电流的模拟信号251，并经由发射极感测电路220而输出至过电流检测电路230。具体而言，过电流模拟电路250具有内部电源，使用该内部电源来输出与在过电流流至IGBT 328时输出自发射极感测电路220的电压信号221相同的电压、即过电流检测电路230中的过电流阈值以上的电压作为模拟信号251。如此输出自过电流模拟电路250的模拟信号251经由发射极感测电路220而作为电压信号221输入至过电流检测电路230。或者，也可不经由发射极感测电路220而是从过电流模拟电路250对过电流检测电路230直接输出模拟信号251。
测试模式输出电路260根据来自控制电路172的模拟信号输出指令261来输出测试模式信号262，所述测试模式信号262用以控制从过电流模拟电路250输出模拟信号251的时机。过电流模拟电路250根据该测试模式信号262来开始或停止模拟信号251的输出。
测试有效/无效标记输出电路270根据来自控制电路172的诊断指令271来输出测试有效/无效标记信号272，所述测试有效/无效标记信号272用以控制开关273、274的切换状态而使诊断功能有效或无效。通过根据该测试有效/无效标记信号272而分别导通或断开开关273、274，分别允许或禁止从过电流检测电路230到驱动电路174的过电流检测信号231的输出和从输入电路240到转矩安全电路210的过电流检测信号231的输出。由此，可在使用过电流检测功能时使如前文所述的过电流流至IGBT 328时的过电流检测电路230的开关禁止功能和转矩安全电路210的动作有效、在使用诊断功能时使这两功能无效。
图3为表示以上所说明的本实施方式的过电流检测诊断电路的诊断时机的例子的图。
如图3所示，从控制电路172输出以规定时机例如数kHz间隔使作为功率半导体元件的IGBT 328导通/断开的PWM信号作为控制信号211。该控制信号211经由转矩安全电路210而输出至驱动电路174，在驱动电路174中被用于生成驱动信号212。
在输出自控制电路172的控制信号211断开时，测试有效/无效标记输出电路270通过来自控制电路172的指令而输出例如图3所示那样的测试有效/无效标记信号272。该测试有效/无效标记信号272是用以切换诊断的有效与无效的信号，作为用以规定诊断窗口、即进行诊断的时间窗的信号而发挥功能。
测试模式输出电路260通过来自控制电路172的指令而输出图3所示那样的测试模式信号262。通过该测试模式信号262，在测试有效/无效标记信号272为“有效”的期间内，指示过电流模拟电路250输出模拟信号251。此处，若在控制信号211导通时将测试有效/无效标记信号272设为“有效”、并通过测试模式信号262来指示输出模拟信号251，则在该期间内过电流流至IGBT 328、330的情况下，将无法正确地检测过电流而停止IGBT 328、330的开关动作。因而，为了避免这种情况，优选在控制信号211断开时将测试有效/无效标记信号272设为“有效”、并通过测试模式信号262来指示输出模拟信号251。
如图3所示的电压信号221从发射极感测电路220输入至过电流检测电路230。由于根据测试模式信号262而从过电流模拟电路250输出模拟信号251，因此该电压信号221变为超过过电流检测电路230中所设定的前文所述的过电流阈值的值。此外，在过电流流至IGBT 328时，也变为超过过电流阈值的值。如此，当电压信号221超过过电流阈值时，在过电流检测电路230中检测到过电流，从而输出过电流检测信号231。
转矩安全状态213表示由转矩安全电路210决定的控制信号211的切断状态。在输入至过电流检测电路230的电压信号221不到过电流阈值时，不会从过电流检测电路230输出过电流检测信号231。因此，此时，转矩安全电路210像转矩安全状态213所示那样为平常状态，使从控制电路172到驱动电路174的控制信号211的输出直接通过。此外，在测试模式信号262指示输出模拟信号251时，由于测试有效/无效标记信号272为“有效”，因此开关274为断开状态，过电流检测信号231不会输入至转矩安全电路210。因此，此时也一样，转矩安全电路210像转矩安全状态213所示那样为平常状态，使从控制电路172到驱动电路174的控制信号211的输出直接通过。
另一方面，在过电流流至IGBT 328时，由于测试有效/无效标记信号272为“无效”，因此开关274为导通状态，过电流检测信号231得以输入至转矩安全电路210。因此，此时，转矩安全电路210像转矩安全状态213所示那样停止(切断)从控制电路172到驱动电路174的控制信号211的输出。
微机诊断173表示控制电路172的诊断状态。测试有效/无效标记信号272为“有效”时，控制电路172像微机诊断173所示那样进行对过电流检测功能的诊断。具体而言，在根据测试模式信号262而从过电流模拟电路250输出模拟信号251时，判断是否从过电流检测电路230经由输入电路240而正确地输入过电流检测信号231。由此，诊断过电流检测电路230和输入电路240是否在正常地动作。另一方面，若在未从过电流模拟电路250输出有模拟信号251时输入过电流检测信号231，则控制电路172像微机诊断173所示那样判断过电流正流至IGBT 328。
根据以上所说明的本发明的一实施方式，取得以下的作用效果。
(1)电力转换装置200包括IGBT 328、330、过电流检测电路230及过电流模拟电路250，所述IGBT 328、330作为进行用以将供给自直流电源的直流电转换为交流电的开关动作的功率半导体元件。各IGBT 328、330具有发射极感测端子340，所述发射极感测端子340输出与流至发射电极的电流相应的感测电流341。过电流检测电路230根据输出自发射极感测端子340的感测电流341来检测流至IGBT 328、330的过电流。过电流模拟电路250将模拟流至IGBT 328、330的过电流的模拟信号251输出至过电流检测电路230。由于设为如此构成，因此可诊断电力转换装置200的对功率半导体元件的过电流检测功能是否正常。
(2)电力转换装置200进而包括发射极感测电路220，所述发射极感测电路220输出与感测电流341的大小相应的电压信号221。过电流检测电路230判定输出自发射极感测电路220的电压信号221是否在规定的过电流阈值以上，由此判定过电流是否正流至IGBT 328、330。过电流模拟电路250将过电流阈值以上的电压作为模拟信号251经由发射极感测电路220而输出至过电流检测电路230。由于设为如此构成，因此，在过电流检测电路230中，能分别可靠地检测流至IGBT 328、330的过电流以及模拟信号251。
(3)电力转换装置200进而包括测试模式输出电路260，其输出用以控制从过电流模拟电路250输出模拟信号251的时机的测试模式信号262。由于设为如此构成，因此可在任意时机从过电流模拟电路250输出模拟信号251而进行过电流检测功能的诊断。
(4)电力转换装置200进而包括：驱动电路174，其输出用以控制IGBT 328、330的开关动作的驱动信号212；以及控制电路172，其输出用以控制驱动电路174的动作的控制信号211。优选为测试模式输出电路260在未从控制电路172输出有控制信号211时输出测试模式信号262以从过电流模拟电路250输出模拟信号251。如此一来，可避免如下情况：在过电流检测功能的诊断中过电流流至IGBT 328、330的情况下，无法正确地检测过电流。
(5)过电流检测电路230具有如下开关禁止功能：在检测到过电流的情况下对驱动电路174输出过电流检测信号231，由此，停止或切断来自驱动电路174的驱动信号212的输出而禁止IGBT 328、330的开关动作。在从过电流模拟电路250输出有模拟信号251时，将输出自测试有效/无效标记输出电路270的测试有效/无效标记信号272设为“有效”，由此，将开关273设为断开而使过电流检测电路230的开关禁止功能无效。由于设为如此构成，因此可防止如下情况：在过电流检测功能的诊断中，因过电流检测电路230的开关禁止功能而导致IGBT 328、330的开关动作被误禁止。
(6)电力转换装置200进而包括转矩安全电路210，在过电流检测电路230检测到过电流的情况下，所述转矩安全电路210切断从控制电路172到驱动电路174的控制信号211的输出。在从过电流模拟电路250输出有模拟信号251时，将输出自测试有效/无效标记输出电路270的测试有效/无效标记信号272设为“有效”，由此，将开关274设为断开而使转矩安全电路210无效。由于设为如此构成，因此可防止如下情况：在过电流检测功能的诊断中，因转矩安全电路210而导致IGBT 328、330的开关动作被误禁止。
再者，在以上所说明的实施方式中，对如下例子进行了说明：在输出自控制电路172的控制信号211断开时，将输出自测试有效/无效标记输出电路270的测试有效/无效标记信号272设为“有效”，并且测试模式输出电路260输出测试模式信号262以从过电流模拟电路250输出模拟信号251，从而进行过电流检测功能的诊断。但也可在这以外的时机进行过电流检测功能的诊断。例如，也可在未从作为直流电源的电池136供给有直流电时将输出自测试有效/无效标记输出电路270的测试有效/无效标记信号272设为“有效”，并且测试模式输出电路260输出测试模式信号262以从过电流模拟电路250输出模拟信号251，从而进行过电流检测功能的诊断。具体而言，例如在电力转换装置200被用于驱动车辆行驶用马达的情况下，可在车辆的钥匙开关在行驶结束后被断开之后不久等进行过电流检测功能的诊断。如此一来，能可靠地进行过电流检测功能的诊断而不会对IGBT 328、330的开关动作等产生影响。
以上所说明的实施方式或各种变化例只是一例，只要不损及发明的特征，则本发明不限定于这些内容。本发明并不限定于上述实施方式，可在不脱离本发明的宗旨的范围内进行各种变更。
符号说明
172 控制电路
174 驱动电路
200 电力转换装置
210 转矩安全电路
220 发射极感测电路
230 过电流检测电路
240 输入电路
250 过电流模拟电路
260 测试模式输出电路
270 测试有效/无效标记输出电路
328、330 IGBT
340 发射极感测端子。