电力变换装置、电动助力转向系统、电动汽车、电子控制节气门、电动制动器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种使用半导体开关元件来对从电源供给的电力进行变换的电力变换装置。
【背景技术】
[0002]控制的自动化推进，针对电子控制装置的安全性和可靠性的要求变高。为了确保电子控制装置的安全性，要求在异常发生时立即检测出该异常并停止动作。为了在发生异常时分离装置，大多情况下使用继电器。例如，在发生异常时，有时通过继电器切断主电源。在电动机驱动装置(尤其在电动助力转向)中，在发生异常时有时通过继电器切断针对电动机的驱动电流输出(相输出)。
[0003]另一方面，将上述的继电器置换成半导体元件来谋求高可靠性、长寿命化、小型化、保护动作的高速化也得到了推进。
[0004]在下述专利文献1中公开了如下的技术:在电动助力转向系统中，向电力变换器的相输出插入MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor:金属氧化物半导体场效应管)，在发生异常时，通过将MOSFET设为断开来分离电动机和逆变器。
[0005]在下述专利文献2的图4中公开了如下的技术:在电源和电力变换器之间，以二极管的方向相互成相反方向(具体而言，电流的通过方向相互朝外)的方式配置2个M0SFET。在将MOSFET用作继电器的情况下，即使MOSFET处于断开状态，也因MOSFET的寄生二极管流过电流。因此，在专利文献2中，以寄生二极管的方向相互成相反方向(具体而言，电流的通过方向相互朝外或朝内)的方式串联连接有2个M0SFET。
[0006]下述专利文献3(图2)公开了通过继电器切断电荷栗电源而使MOSFET可靠地断开的技术。
[0007]此外，不仅要求为了安全在发生故障时使动作可靠地停止，还要求在确保安全性的基础之上继续进行动作。随着电动助力转向系统的性能提高，还能够应用于重量更大的大型车中，若在发生故障时使动作停止，则需要人力的大操舵力，因此即使在发生故障时也需要在确保安全性的基础之上使动作继续。
[0008]在下述专利文献4中公开了如下的方法:在电动助力转向中，在星形接线的三相无刷电动机中，在一相中发生了异常时，控制剩余两相的驱动电流的大小和方向，使在电动机内部产生的磁场向量旋转。并且，在下述专利文献5中公开了对包含中性点合计4组的电桥进行了模块化的安装方法。
[0009]现有技术文献
[0010]专利文献
[0011]专利文献1:日本特开2009-274686号公报
[0012]专利文献2:日本特开平10-167085号公报
[0013]专利文献3:日本特开2011-109779号公报
[0014]专利文献4:日本特开2007-99066号公报
[0015]专利文献5:日本特开2013-74712号公报
【发明内容】
[0016]发明要解决的课题
[0017]在上述专利文献1所记载的技术中，通过半导体元件切断电力变换器的相输出，由此，在发生构成逆变器的MOSFET的短路故障等异常时，能够将电动机从逆变器分离来停止向电动机的驱动，防止危险的举动。但是，对于相输出线接地的情况，需要进一步考虑。
[0018]将MOSFET用作继电器的情况下，即使MOSFET处于断开状态，也由于寄生二极管流过电流，因此，因专利文献1的FET7?9电动机侧的相输出线中的某一个接地的情况下，在没有接地的剩余两相中，形成从FET4 — FET7、FET5 — FET8、FET6 — FET9的某一个经由电动机的线圈到接地点(ground)的电流路径(闭合电路)。即，按照该电流路径流过由电动机再生的电流，由此，电动机受到再生制动，因此明显阻碍人力操舵。另外，即使将插入到相输出中的FET7?9的方向设为相反的情况下，只要相输出线中的某一个发生接电源，则也会发生同样的现象。
[0019]在上述专利文献2所记载的技术中，若发生与上述同样的接地故障，则发生同样的课题。如专利文献3所记载的那样，还考虑通过机械继电器切断电源，但若设置机械继电器，则在高可靠性、长寿命化、小型化、保护动作的高速化等观点存在课题。
[0020]在上述专利文献5所记载的技术中，包含中性点的所有相始终与电动机连接，在发生故障时的该相的分离等观点存在课题。在故障相的上支路或下支路发生了短路故障的情况下，该相的总输出成为保持与电源或地电位连接的状态，在能够驱动的磁场向量的范围内受到制约，难以使磁场向量旋转。
[0021]在上述专利文献4所记载的技术中，为了在发生故障时分离该相，将驱动电路连接到中性点而使用继电器，但在高可靠性、长寿命化、小型化、保护动作的高速化等观点存在课题。
[0022]本发明是鉴于上述课题而提出的，其第1目的是在发生故障时分离该相，将驱动电路连接到应驱动的电动机端子的单元的高可靠性、长寿命化、小型化、保护动作的高速化。
[0023]并且，其第2目的是在发生故障时分离该相，将驱动电路连接到应驱动的电动机端子的单元的半导体化时，除了构成逆变器的MOSFET的短路故障外，在相输出线的任意一个发生接地/接电源的情况下，也不使电动机进行再生制动，切断该输出。
[0024]用于解决课题的手段
[0025]为了实现本发明的第1目的，在本发明的电力变换装置中，作为与四相电动机或三相电动机的各相以及中性点连接，分离该相并将驱动电路连接到应驱动的电动机端子的单元，使用半导体元件。
[0026]并且，为了实现本发明的第2目的，本发明的电力变换装置所具备的半导体开关元件，以不形成电源和接地点间的电流路径的方向(即，与至少1个半导体开关元件并联连接的二极管与其他二极管是反方向)连接与半导体开关元件并联连接的二极管，并且，以不形成电动机的线圈和电源间的电流路径以及电动机的线圈和接地点间的电流路径的方向连接二极管。
[0027]发明效果
[0028]根据本发明的电力变换装置，即使发生了故障也能够继续动作。将在发生故障时分离该相，将驱动电路连接到应驱动的电动机端子的单元置换成半导体元件来提高性能，并且能提高针对短路故障的安全性。
【附图说明】
[0029]图1是本发明的基本的实施例。
[0030]图2是为了说明而将图1所示的电路图中的三相逆变器的一部分简化为电路网XI的图。
[0031]图3是表示将配置于电路网X外的二极管的方向设为与图2相反方向的变形例的图。
[0032]图4是为了说明而将图1所示的电路图中的三相逆变器的一部分简化为电路网X2的图。
[0033]图5是为了说明而将图4所示的电路图中的三相逆变器的一部分简化为电路网X2的图。
[0034]图6是表示将配置于电路网X2外的二极管的方向设为与图2相反方向的变形例的图。
[0035]图7是表示将图6的第3M0SFET3兼用作升压电路20的构成要素的电路结构的图。
[0036]图8是说明图7所示的电路的动作的时序图。
[0037]图9是驱动四相电动机的实施例。
[0038]图10是在中性点插入了半导体继电器的实施例。
[0039]图11是在中性点插入了半导体继电器的实施例。
[0040]图12是将半导体开关元件串联插入到逆变器中的实施例。
[0041]图13是将半导体开关元件串联插入到相输出的实施例。
[0042]图14是使用了本发明的电动助力转向系统的结构图。
[0043]图15是使用了本发明的电动汽车的结构图。
[0044]图16是使用了本发明的电子控制节气门的结构图。
[0045]图17是使用了本发明的电动制动器的结构图。
[0046]图18是表示实际PWM计时器10周边的电路结构的图。
[0047]图19是表示图14所示的电路结构的动作的时序图。
[0048]图20是表示图14的变形例的图。
[0049]图21是表示图16所示的电路结构的动作的时序图。
[0050]图22是带有电荷栗的前置驱动器6的电路图。
[0051]图23是表示通过微处理器100生成交变信号7的结构例的图。
[0052]图24是表示比较器110生成交变信号7的结构例的图。
[0053]图25是表示FS-AND 120生成交变信号7的结构例的图。
[0054]图26是表示通过PWM计时器10控制带有电荷栗的前置驱动器6的结构例的图。
[0055]图27是表示将AND130的输出设为0UT_EN或P0W_EN的结构例的图。
[0056]图28是表示组合交变信号的FS-AND、输出控制信号的逻辑积(AND)以及全电流控制信号的逻辑积(AND)而得的结构例的图。
[0057]图29是表示在每个相组合0UT_EN、P0ff_EN以及表示微处理器100为正常的信号7’的逻辑积(AND)而得的结构例的图。
【具体实施方式】
[0058]以下，根据附图对本发明的实施例进行说明。在以下的说明中，在各MOSFET群内对每相设置MOSFET的情况下附加表示各相的标注，不对每相设置MOSFET而设为1个的情况下省略标注。
[0059]<实施方式1>
[0060]图1是本发明的实施方式1的电力变换装置1000的电路图。电力变换装置1000是将从电源供给的电力变换为电动机8的驱动电流的装置，为第1M0SFET群lu?lw、ln、第 2M0SFET 群 2u ?2w、2n、第 3M0SFET 群 3u ?3w、3n、第 4M0SFET4 (或第 4M0SFET 群 4u ?4w、4n)ο
[0061]第1M0SFET群lu?lw、ln是构成三相(或四相)逆变器的上支路的半导体开关元件群。标注u?w分别对应于电动机的U相?W层。并且，标注η相当于三相电动机中的中性点，或相当于四相电动机中的第四相。在以下的说明中也相同。第2M0SFET群2u?2w、2n是构成三相(或四相)逆变器的下支路的半导体开关元件群。
[0062]第3M0SFET群3u?3w、3n被连接到电力变换装置1000的各相输出和电动机8的各相输出之间。在向电动机8供给电流的方向连接与第3M0SFET群3u?3w、3n并联连接的寄生二极管。
[0063]在电力变换装置1000的各相输出和接地点之间串联连接第4M0SFET4 (或第4M0SFET群4u?4w、4n)和第2M0SFET群2u?2w、2n。向接地点流过电流的方向连接与第4M0SFET4(或第4M0SFET群4u?4w、4n)并联连接的寄生二极管。
[0064]另外，在各相输出合流的位置前配置了第4M0SFET群4u?4w的情况下，为了完全地切断电流路径需要对每个相设置MOSFET。如图1所示，在各相输出合流后(比合流位置接近接地点侧)配置了第4M0SFET4的情况下，通过仅设置1个第4M0SFET4能够完全切断通往接地点的电流路径。并且，从电动机8回流的电流也可以不经由第4M0SFET4，因此可以减少2个电流通过的MOSFET的个数，能够相应地减少接通电阻来抑制损失。
[0065]通过PWM计时器10控制第1M0SFET群lu?lw、In和第2M0SFET群2u?2w、2n。为了避免附图的复杂性，仅记载了从PWM计时器10针对第IMOSFETlu的栅极的控制信号UH的配线、针对第2M0SFET2U的栅极的控制信号UL的配线、针对第3M0SFET3w和第4M0SFET4u的控制信号0UT_EN的配线，而省略了针对第1M0SFET群lv?lw、In的栅极的控制信号VH、WH、NH的配线、针对第2M0SFET群2v?2w、2n的栅极的控制信号VL、WL、NL的配线、针对第3M0SFET群3u?3v、3n、第4M0SFET