功率转换装置的制作方法

本发明涉及功率转换装置，尤其涉及具备对蓄积于电容器的电荷的放电进行控制的装置的功率转换装置。

背景技术：

功率转换装置包括对由可进行充放电的直流电源提供的直流电压进行升压的升压转换器、对直流电源与升压转换器之间的电压进行平滑的一次平滑电容器、将从升压转换器输出的高压的直流电压转换成交流电压的逆变器、以及对升压转换器与逆变器之间的电压进行平滑的二次平滑电容器，该功率转换装置具备将从逆变器输出的交流电压提供给电动机的功能。

在搭载有该功率转换装置的车辆中，在车辆撞击时或动力停止时，为了防止触电而迅速地对蓄积在二次平滑电容器中的电荷进行放电。该放电可通过下述逆变器的三相导通控制来进行，即：进行控制以使得逆变器的多个开关元件中的上桥臂的全部或下桥臂的全部变为导通。然而，此时，若电动机旋转，则二次平滑电容器的电压会因来自电动机的感应电压而上升，因此，有时会出现放电时间变长，逆变器的温度上升至驱动限制温度的情况。

因此，在专利文献1中，为了抑制因来自电动机的感应电压而引起的电压上升，提出了下述方案，即：在执行三相导通控制的过程中，在逆变器的温度达到从驱动限制温度中减去放电控制中的推定上升温度后得到的阈值以上时，中止三相导通控制。

然而，在专利文献1所提出的技术中，没有考虑应对无法检测出电动机的转速的情况，从而存在如下问题：在无法检测出转速时将无法实施放电控制，此外，存在如下问题：没有考虑到在中止了三相导通控制之后，温度下降较缓慢、放电控制的执行时间将变长，并且，还存在如下问题：由于用于中止三相导通控制的判断的阈值被设定为比驱动限制温度要低的值，因此会在较早的阶段就判断为中止三相导通控制。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利特开2016-111754号公报

技术实现要素：

发明所要解决的技术问题

鉴于上述现有的问题，本发明的目的在于提供一种功率转换装置，在车辆撞击后或动力停止后的电动机的转速降低控制中及急速放电中，即使在检测单元不正常的情况下也能够继续动作而不使动作停止，且不会发生因逆变器元件的温度上升而引起的故障，能够迅速地对蓄积于二次平滑电容器的高电压的电荷进行放电。

解决技术问题所采用的技术方案

本发明构成具有下述特征的功率转换装置，该功率转换装置包括：逆变器，该逆变器连接在电源与电动机之间，用于将从所述电源输出的电压转换成交流电压；温度检测单元，该温度检测单元检测逆变器的温度；电容器，该电容器对所述电源与所述逆变器之间的端子间电压进行平滑；电压检测单元，该电压检测单元检测所述电容器的端子间电压；逆变器控制单元，该逆变器控制单元对所述逆变器进行控制；转速检测单元，该转速检测单元检测所述电动机的转速；电流检测单元，该电流检测单元检测提供给所述电动机的电流；以及放电判定指示单元，该放电判定指示单元发出对蓄积于所述电容器的电荷进行放电的指示，根据所述逆变器的温度、所述电动机的转速、以及提供给所述电动机的电流，在进行了所述电动机的转速降低控制之后，进行所述电容器的放电控制。

发明效果

本发明的功率转换装置中，能避免因温度的上升而引起的逆变器的故障，并能完成电动机的转速降低控制及蓄积于电容器的电荷的放电动作。

附图说明

图1是表示实施方式所涉及的功率转换装置的结构图。

图2是表示功率转换装置的升压转换器的结构的电路图。

图3是表示功率转换装置的逆变器的结构的电路图。

图4是表示实施方式所涉及的功率转换装置的转速降低控制和急速放电控制的流程图。

图5是表示实施方式所涉及的功率转换装置的转速降低控制的流程图。

图6是表示实施方式所涉及的功率转换装置的急速放电控制的流程图。

图7是表示功率转换装置中所使用的放电控制装置的结构的图。

具体实施方式

以下，使用附图对功率转换装置的放电装置的实施方式进行说明。另外，实施方式中，对功率转换装置搭载于汽车的情况进行说明，但功率转换装置也可以搭载于汽车以外的车辆。

实施方式

图1是表示实施方式所涉及的功率转换装置的结构图。图1中，功率转换装置是虚线所包围的范围的结构，连接在直流电源10与三相交流电动机60之间，包括升压转换器20、一次平滑电容器30、逆变器40、二次平滑电容器50、电压传感器51、电动机的转速传感器61、电流传感器62以及放电控制装置70。

直流电源10可充放电，并经由逆变器40与三相交流电动机60交换电力。升压转换器20设置在直流电源10与逆变器40之间，通过dc/dc转换对由直流电源10提供的直流电压进行升压。(在直流电源的输出电压足够的情况下，也可以省略升压转换器20。)一次平滑电容器30连接在直流电源10与升压转换器20之间，对直流电源10与升压转换器20间的电压进行平滑。

逆变器40通过dc/ac转换将从升压转换器20输出的高压的直流电压转换成交流电压。二次平滑电容器50连接在升压转换器20与逆变器40之间，对升压转换器20与逆变器40间的电压进行平滑。电压传感器51对二次平滑电容器50的高电压侧节点与低电压侧节点间的电压进行测量。

三相交流电动机60施加有从逆变器40输出的交流电压，由此来进行用于车辆的驱动力、制动力的控制或车辆控制的发电。电动机的转速传感器61是转速检测单元，对三相交流电动机60的转速进行测量。电流传感器62是电流检测单元，对流过三相交流电动机60的电流值进行测量。

放电控制装置70具有转换器控制部71、逆变器控制部72、放电判定指示部73。放电判定指示部73在由放电判定部74检测到车辆的撞击时、或在由车速控制部75将动力设为停止状态时，对作为逆变器控制单元的逆变器控制部72发出指示，以对蓄积于二次平滑电容器50的电荷进行放电。此外，同时向转换器控制部71发出指示，以对蓄积于一次平滑电容器30和升压转换器20内的能量转移用电容器23(图2所示)的电荷进行放电。另外，放电判定部74进行的车辆撞击的检测基于撞击时产生的车辆的各种状态变化间接地进行。

升压转换器20具备串联连接有四个功率半导体元件的桥臂。

转换器控制部71对在图2中示出其结构的升压转换器20所包含的功率半导体元件的结构要素即半导体开关元件21a、21b、21c、21d的开关动作进行控制，并进行升压转换器20中的dc/dc转换。此外，逆变器控制部72对在图3中示出其结构的逆变器40所包含的开关桥臂的上桥臂侧功率半导体元件44a和下桥臂侧功率半导体元件44b内的半导体开关元件41a、41b、41c、41d、41e、41f的开关动作进行控制，并进行逆变器40中的dc/ac转换。

在升压转换器20和逆变器40中，功率半导体元件以半导体开关元件和半导体整流元件相互反向并联连接而成的结构为单位。此外，将功率半导体元件的串联连接体称为桥臂。

如图2所示，升压转换器20的桥臂中，使用以si为材料的igbt来作为半导体开关元件21a、21b、21c、21d，并使用同样地以si为材料的pin二极管来作为半导体整流元件22a、22b、22c、22d，。

半导体开关元件21a的集电极电极c与半导体整流元件22a的阴极电极k相连接，半导体开关元件21a的发射极电极e与半导体整流元件22a的阳极电极a相连接，相互反向并联连接而成为功率半导体元件的一个单位。此处，半导体开关元件21d的发射极电极e与一次平滑电容器30的低电压侧节点n1相连接，且与二次平滑电容器50的低电压侧节点n2相连接。此外，低电压侧节点n2与逆变器40的下桥臂侧功率半导体元件44b的节点nu、nv、nw相连接。

因此，直流电源10的低电压侧输出端子、低电压侧节点n1、n2及逆变器40的下桥臂侧功率半导体元件44b的节点nu、nv、nw均为相同电位(典型地为电位vn)。

此外，半导体开关元件21d的集电极电极c与半导体开关元件21c的发射极电极e以及能量转移用电容器23的低电压侧节点相连接。半导体开关元件21c的集电极电极c与半导体开关元件21b的发射极电极e以及电抗器24的线圈的一端相连接。此外，半导体开关元件21b的集电极电极c与半导体开关元件21a的发射极电极e以及能量转移用电容器23的高电压侧节点相连接。

另一方面，半导体开关元件21a的集电极电极c与二次平滑电容器50的高电压侧节点p2相连接。此外，高电压侧节点p2与逆变器40的上桥臂侧功率半导体元件44a的节点pu、pv、pw相连接。因此，高电压侧节点p2及逆变器40的上桥臂侧功率半导体元件44a的节点pu、pv、pw均成为相同电位(典型地为电位vp)。

关于逆变器40，如图3所示那样构成。逆变器40内的桥臂设有与驱动的三相交流电动机60的相数相对应的根数，此处，由u相、v相、w相三个开关桥臂45a、45b、45c构成。

逆变器40的u相开关桥臂45a中，例如使用以si为材料的绝缘栅双极型晶体管(igbt)来作为半导体开关元件41a、41b，并使用同样地以si为材料的pin二极管来作为半导体整流元件42a、42b。

半导体开关元件41a的集电极电极c与半导体整流元件42a的阴极电极k相连接，半导体开关元件41a的发射极电极e与半导体整流元件42a的阳极电极a相连接，相互反向并联连接而成为功率半导体元件的一个单位。此外，同样地，半导体开关元件41b的集电极电极c与半导体整流元件42b的阴极电极k相连接，半导体开关元件41b的发射极电极e与半导体整流元件42b的阳极电极a相连接。由此，逆变器40的u相开关桥臂45a由半导体开关元件41a和半导体整流元件42a所构成的功率半导体元件、及半导体开关元件41b和半导体整流元件42b所构成的功率半导体元件串联连接而构成。

另外，逆变器40的v相开关桥臂45b和w相开关桥臂45c也通过半导体开关元件41c和半导体整流元件42c所构成的功率半导体元件、与半导体开关元件41d和半导体整流元件42d所构成的功率半导体元件的串联连接，以及半导体开关元件41e和半导体整流元件42e所构成的功率半导体元件、与半导体开关元件41f和半导体整流元件42f所构成的功率半导体元件的串联连接来构成。此外，逆变器控制部72通过对逆变器40所包含的开关桥臂45a、45b、45c的上桥臂侧功率半导体元件44a和下桥臂侧功率半导体元件44b内的半导体开关元件的开关动作进行控制，并调整与三相交流电动机60之间的连接节点uac、vac、wac的电位，来控制流过三相交流电动机60的电流量。

其结果是，三相交流电动机60进行用于车辆的驱动力、制动力的控制、以及车辆控制的发电。此外，逆变器控制部72从转速传感器61获取三相交流电动机60的旋转信息。

接着，对车辆撞击时或动力停止时的功率转换装置的动作进行说明。首先，放电控制装置70在由放电判定部74检测到车辆的撞击时、或者由车速控制部75结束车辆的使用并设为动力的停止状态时，使车辆安全停车。

接着，停止来自直流电源10的供电，并由放电判定指示部73向逆变器控制部72指示执行放电动作。根据放电判定指示部73所发出的执行放电动作的指示，逆变器控制部72首先进行控制以使逆变器40内的半导体开关元件均成为截止(断开)状态，并从电动机的转速传感器61获取旋转信息。

此处，虽然进行了上述控制，但在来自电动机的转速传感器61的旋转信息示出了三相交流电动机60处于旋转中的情况下，三相交流电动机60有可能会因外部原因而继续旋转，例如，因车辆的驱动轮(未图示)在从路面浮起的状态下进行空转，或者因撞击后车辆也没有完全停止等。

在这种情况下，三相交流电动机60中产生反向电动势，电流流过逆变器40内的功率半导体元件，从而有可能导致对原本应该放电的二次平滑电容器50进行蓄电。因此，若成为如下状况，即：虽然车辆发生撞击，并因某些原因要进行救护处理、车辆的事故后处理，但三相交流电动机60仍旋转，并产生反向电动势，则进行放电控制，以使三相交流电动机60的转速迅速下降，而不向二次平滑电容器50进行蓄电。另外，为了提高安全性能，在通常的车辆停止时也实施放电控制。

另外，在本实施方式中，如图3所示，为了获取逆变器40的上桥臂侧功率半导体元件44a和下桥臂侧功率半导体元件44b的温度，设有温度传感器43a、43b。

接着，参照图4所示的流程图，说明由逆变器控制部72对二次平滑电容器50的电荷进行放电的放电动作。

首先，在开始(步骤s100)之后，放电判定指示部73从放电判定部74(例如，加速传感器)获取车辆的撞击检测信息，在检测到车辆撞击的情况下，向逆变器控制部72输出放电指示，并转移至步骤s400。在没有检测到车辆撞击的情况下，转移至步骤s107。

步骤s107中，从车速控制部75获取车速信息，在检测到车辆的停止的情况下，向逆变器控制部72输出放电指示，并转移至步骤s400。在没有检测到车辆的停止的情况下，返回所述步骤s101。

在步骤s400中，确认电动机的转速传感器61是否正常，在正常的情况下，转移至步骤s102，在不正常的情况下，在步骤s401中，确认电流传感器62是否正常。在电流传感器62正常的情况下，在步骤s411中获取电动机电流值imot。在步骤s401中，在判断为因电流传感器62不正常而无法检测出电流值的情况下，在步骤s412中，在规定的时间内进行电动机的转速降低控制。之后，通过进行急速放电控制，来完成放电。

在步骤s102中，利用转速传感器61获取转速信息rmot，并如步骤sa所示，实施转速降低控制，以使得电动机的转速rmot小于预先设定的阈值rth。在步骤s400中，在转速传感器61不正常的情况下，使用电流传感器62检测出的电流值来代替由转速传感器61获取的转速。即，在由电流传感器62检测出的电流值超过预先设定的阈值的情况下，由逆变器控制单元(逆变器控制部72)继续进行转速降低控制。步骤sa之后，在步骤s104中获取端子间电压vc，并如步骤sb所示，实施急速放电控制，以使电容器的端子间电压vc小于阈值vth，之后在步骤s106中结束。

步骤sa的具体内容如图5所示。即，在步骤s103中，对步骤s102中获得的转速rmot与预先设定的阈值rth进行比较。规定阈值rth是判断是否需要降低三相交流电动机60的转速的设定值，在判定为rmot＞rth的情况下，设为超过规定转速，开始进行电动机的转速降低控制，并转移至步骤s200。另一方面，在没有判定为rmot＞rth的情况下，即，在判定为小于规定转速的情况下，转移至步骤s104。在转速传感器61不正常的情况下，且由电流传感器62检测出的电流值小于预先设定的阈值的情况下，与小于规定转速的情况同样地转移至步骤s104，并利用逆变器控制单元(逆变器控制部72)来进行放电控制。

在步骤s200中，开始电动机的转速降低控制。电动机的转速降低控制是为了抑制三相交流电动机60的转速而进行的放电控制。例如，通过将上桥臂侧功率半导体元件44a全部设为截止(off)状态，同时将下桥臂侧功率半导体元件44b全部设为导通(on)状态来进行。

在步骤s201中，从转速传感器61获取实施了电动机的转速降低控制时的转速rmot，并转移至步骤s202。

在步骤s202中，对步骤s201中获得的转速rmot与预先设定的阈值rth进行比较。在判定为rmot＞rth的情况下，继续进行电动机的转速降低控制，并转移至步骤s210。另一方面，在没有判定为rmot＞rth的情况下，转移至步骤s203，结束电动机的转速降低控制，并转移至步骤s104。在步骤s103和步骤s202中进行比较的阈值rth可以设为相同的设定值，也可以设为不同的设定值。

在步骤s210中，由温度传感器43b获取逆变器40的温度信息tminv，并转移至步骤s211。

在步骤s211中，对步骤s210中获得的逆变器40的温度信息tminv与预先设定的规定阈值tmth1(驱动限制温度)进行比较。在判定为tminv＞tmth1的情况下，判定为下桥臂侧功率半导体元件44b的温度上升，下桥臂侧功率半导体元件44b有可能发生故障，并转移至步骤s212，暂时停止电动机的转速降低控制。另一方面，在没有判定为tminv＞tmth1的情况下，下桥臂侧功率半导体元件44b的温度适当，继续进行电动机的转速降低控制，并转移至步骤s201。

在步骤s212中，计算暂时停止电动机的转速降低控制的停止时间tth1，并转移至步骤s213。停止时间的计算方法例如通过下述数学式、即tth1＝d1×tminv(d1为参数的影响度系数)来求出。

步骤s213中，暂时停止电动机的转速降低控制，开始停止经过时间的计数。由此，使下桥臂侧功率半导体元件44b全部成为截止(off)状态，下桥臂侧功率半导体元件44b的温度将下降。

步骤s214中，获取停止经过时间tstop，并转移至步骤s215。

步骤s215中，对步骤s214中获得的停止经过时间tstop和步骤s212中计算出的停止时间tth1进行比较。在判定为tstop＞tth1的情况下，再次开始电动机的转速降低控制，并转移至步骤s200。另一方面，在没有判定为tstop＞tth1的情况下，继续暂时停止电动机的转速降低控制，并转移至步骤s220。

在步骤s220中，由温度传感器43a、43b获取逆变器40的温度信息tminv，并转移至步骤s221。

在步骤s221中，对步骤s220中获得的逆变器40的温度信息tminv与预先设定的规定阈值tmth2(可驱动温度)进行比较。在判定为tminv＞tmth2的情况下，判断为下桥臂侧功率半导体元件44b的温度不是适合再次开始电动机的转速降低控制的温度，并转移至步骤s214，继续暂时停止电动机的转速降低控制。另一方面，在没有判定为tminv＞tmth2的情况下，下桥臂侧功率半导体元件44b的温度适当，再次开始电动机的转速降低控制，并转移至步骤s200。tmth1和tmth2满足tmth1＞tmth2的关系，在经过暂时停止时间之前下桥臂侧功率半导体元件44b的温度超过了tmth2的情况下，再次开始电动机的转速降低控制。

步骤sb的具体内容如图6所示。即，在步骤s104中，由电压传感器51获取二次平滑电容器50的端子间电压vc，并转移至步骤s105。

在步骤s105中，对步骤s104中获得的端子间电压vc与预先设定的规定阈值vth进行比较。vth是判断是否需要降低二次平滑电容器的端子间电压的设定值，在判定为vc＞vth的情况下开始进行急速放电控制，并转移至步骤s300。另一方面，在没有判定为vc＞vth的情况下，转移至步骤s106，并结束处理。

在步骤s300中，开始急速放电控制。急速放电控制是为了急速地对二次平滑电容器的电荷进行放电而进行的放电控制。例如，通过对下述两个状态进行开关来进行，即：将上桥臂侧功率半导体元件44a全部设为截止(off)、同时将下桥臂侧功率半导体元件44b全部设为导通(on)的状态，以及将上桥臂侧功率半导体元件44a全部设为导通(on)、同时将下桥臂侧功率半导体元件44b全部设为截止(off)的状态。

在步骤s301中，从电压传感器51获取实施了急速放电控制时的端子间电压vc，并转移至步骤s302。

在步骤s302中，对步骤s301中获得的端子间电压vc与预先设定的规定阈值vth进行比较。在判定为vc＞vth的情况下，继续进行急速放电控制，并转移至步骤s310。另一方面，在没有判定为vc＞vth的情况下，并转移至步骤s303，结束急速放电控制，并转移至步骤s106，结束处理。

另外，在步骤s105和步骤s302中进行比较的阈值vth可以设为相同的设定值，也可以设为不同的设定值。

在步骤s310中，由温度传感器43a、43b获取逆变器40的温度信息tminv，并转移至步骤s311。

在步骤s311中，对步骤s310中获得的逆变器40的温度信息tminv与预先设定的规定阈值tmth3(驱动限制温度)进行比较。在判定为tminv＞tmth3的情况下，判定为半导体开关元件44a、44b的温度上升，半导体开关元件44a、44b有可能发生故障，并转移至步骤s312，暂时停止急速放电控制。另一方面，在没有判定为tminv＞tmth3的情况下，半导体开关元件44a、44b的温度适当，继续进行急速放电控制，并转移至步骤s301。

在步骤s312中，计算暂时停止急速放电控制的停止时间tth2，并转移至步骤s313。停止时间的计算方法例如通过下述数学式、即tth2＝d2×tminv(d2为参数的影响度系数)来求出。

步骤s313中，暂时停止急速放电控制，开始停止经过时间的计数。由此，半导体开关元件44a、44b的开关被停止，半导体开关元件44a、44b的温度下降。

步骤s314中，获取停止经过时间tstop，并转移至步骤s315。

步骤s315中，对步骤s314中获得的停止经过时间tstop和步骤s312中计算出的停止时间tth2进行比较。在判定为tstop＞tth2的情况下，再次开始急速放电控制，并转移至步骤s300。另一方面，在没有判定为tstop＞tth2的情况下，继续暂时停止急速放电控制，并转移至步骤s320。

在步骤s320中，由温度传感器43a、43b获取逆变器40的温度信息tminv，并转移至步骤s321。

在步骤s321中，对步骤s320中获得的逆变器40的温度信息tminv与预先设定的规定阈值tmth4(可驱动温度)进行比较。在判定为tminv＞tmth4的情况下，判断为半导体开关元件44a、44b的温度不是适合再次开始急速放电控制的温度，并转移至步骤s314，继续暂时停止急速放电控制。另一方面，在没有判定为tminv＞tmth4的情况下，设为逆变器的温度下降至可驱动温度，半导体开关元件44a、44b的温度适当，再次开始进行急速放电控制，并转移至步骤s300。tmth3与tmth4满足tmth3＞tmth4的关系，在经过暂时停止时间之前半导体开关元件44a、44b的温度小于tmth4的情况下，设为逆变器的温度下降至可驱动温度，再次开始急速放电控制。

如上所述，通过进行三相交流电动机60的转速降低控制及二次平滑电容器50的急速放电控制，能够避免因逆变器的温度上升而引起的故障，并能够进行控制直到三相交流电动机60成为足够低的转速为止，可进行快速的二次平滑电容器50的放电。

此外，在步骤s400中，在电动机的转速检测单元不正常而导致无法进行转速检测的情况下，能通过在步骤s401中使用电流值来继续进行电动机的转速降低控制。

该情况下，使用电流值代替电动机的转速来作为步骤s103之后的电动机的转速降低控制的阈值。

此外，在步骤s400和步骤s401中，在电动机转速检测单元和电流检测单元均不正常而导致无法检测的情况下，在步骤s412中，在预先设定的一定时间tcont的期间继续进行电动机的转速降低控制，之后转移至步骤s104以开始急速放电控制，由此能够实施放电动作。

另外，如图7所示的硬件的一个示例那样，放电控制装置70由处理器700和存储装置701构成。存储装置701虽然没有详细地进行图示，但具备随机存取存储器等易失性存储装置、以及闪存等非易失性的辅助存储装置。此外，可以具备硬盘之类的辅助存储装置来代替闪存。处理器700执行从存储装置701输入的程序。该情况下，程序从辅助存储装置经由易失性存储装置输入到处理器700。此外，处理器700可以将运算结果等数据输出至存储装置701的易失性存储装置，也可以经由易失性存储装置将数据保存到辅助存储装置。

另外，在上述二次平滑电容器50放电的同时可以由转换器控制部71来进行一次平滑电容器30和能量转移用电容器23的放电控制。

另外，本发明可以在该发明的范围内对实施方式的任意结构要素适当地进行组合，或进行适当的变更、省略。