專利名稱：變換器以及使用該變換器的電能變換裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及將交流電變換為直流電的變換器(converter)以及使用該變換器輸出任意頻率和電壓的交流電的電能變換裝置。
背景技術(shù)：
在電機驅(qū)動系統(tǒng)等中，為了自由控制電機必須任意改變交流電的頻率，因此會使用利用IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)等半導體開關(guān)元件的電能變換裝置。這種電能變換裝置大多數(shù)都具備將交流電變換為直流電的變換器、將由該變換器變換成的直流電變換為任意頻率和電壓的交流電的逆變器(inverter)。
但是，因為在變換器和逆變器之間收發(fā)的直流電不一致直流電壓會產(chǎn)生變動，因此要在連接二者的直流電路中設(shè)置平滑電容器來抑制直流電壓的變動。通常，因為作為平滑電容器使用的電解電容器比半導體開關(guān)元件的體積大很多，因此，平滑電容器在電能變換裝置所占體積的比率就會增加。因此，如果減小平滑電容器的電容，則可以使電能變換裝置結(jié)構(gòu)小型化。
以往，為了縮小平滑電容器，例如在特開2003-102177號公報中提出了一種根據(jù)逆變器的電流指令值推定輸入電力和直流輸入電流，控制變換器的交流輸入電流，從而使變換器的直流輸出電流與逆變器的直流輸入電流一致的方法。另外，特開平7-79567號公報中提出了一種控制有源濾波器的補償電流的方法，其將有源濾波器并聯(lián)連接在平滑電容器上，從而吸收直流電壓變動量。
但是，根據(jù)專利文獻1記載的方式，因為必需交流輸入電流的檢測器、直流電壓的檢測器、交流輸出電流的檢測器、速度檢測器等多個檢測器，因此除了將平滑電容器的小型化之外，還會產(chǎn)生由檢測器附加造成的裝置體積增加的問題。
另外，根據(jù)專利文獻2記載的方式，為了控制補償電流，而必需輸入電流的檢測器、交流電壓的檢測器、直流電壓的檢測器、直流電流的檢測器，因此會產(chǎn)生裝置大型化且控制也復雜的問題。尤其，因為直流電壓檢測器和基準電位不同，因此交流電壓檢測器和輸入電流檢測器必須具有絕緣電路。進而，因為有源濾波器的電路常數(shù)依賴于輸入側(cè)的電路常數(shù)，因此不具備通用性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的第一課題在于實現(xiàn)一種不增加檢測器，就可以使與直流電路連接的平滑電容器的電容減小的變換器。
另外，本發(fā)明的第二課題在于除第一課題以外，還使具備將本發(fā)明的變換器作為直流電源的逆變器的電能變換裝置小型化并封裝(package)化。
為了解決上述第一課題，本發(fā)明的變換器的特征在于，構(gòu)成為具備變換器電路，其具有將交流電變換為直流電的橋式連接的多個半導體開關(guān)元件；平滑電容器，其并聯(lián)在該變換器電路的直流側(cè)；電容器電流檢測器，其被設(shè)置在電容器電路上，以便將流過所述平滑電容器的電容器電流控制為設(shè)定值。
即，通過檢測出流過平滑電容器的電容器電流，并將該電容器電流控制為設(shè)定值(例如，零)，可以減小平滑電容器的電容，并使電容器小型化。為了將電容器電流控制為設(shè)定值，可以控制構(gòu)成電容器電路的橋式連接的多個半導體開關(guān)元件。具體地說，可以通過設(shè)置控制轉(zhuǎn)換器電路的直流電流的q軸電流成分的q軸電流控制機構(gòu)，實現(xiàn)減小電容器電流和設(shè)定值之間的差。
另外，通?？刂齐娙萜餍枰斎雮?cè)的交流電流的信息，如果要檢測變換器電路的交流輸入電流，則檢測器的數(shù)量就會增加。因此，鑒于在轉(zhuǎn)換器(或者逆變器)的直流電流中包含有交流電流的信息，則可以設(shè)置檢測變換器電路的直流電流的直流電流檢測器，基于由此檢測出的直流電流和多個半導體開關(guān)元件的動作狀態(tài)來設(shè)置求解變換器電路的輸入側(cè)的交流電流的運算機構(gòu)，從而可抑制檢測器數(shù)量的增加。
另外，優(yōu)選設(shè)置補償機構(gòu)，其基于輸入側(cè)的交流電流的運算機構(gòu)求出的交流電流，求出交流電流的q軸電流成分，并反饋該交流電流的q軸電流成分來補正q軸電流控制機構(gòu)的q軸電流指令值。
另外，電容器的電流檢測器和直流電流的電流檢測器可以使用分流電阻。
另外，優(yōu)選本發(fā)明的變換器為下述的封裝型，具備主電路基板，其形成具有將交流電變換為直流電的橋式連接的多個半導體開關(guān)元件構(gòu)成的變換器電路；控制電路基板，其形成控制所述多個半導體開關(guān)元件的控制電路；和封裝，其收納所述主電路基板，并重疊聯(lián)結(jié)所述控制電路基板，將并聯(lián)在所述變換器電路的直流側(cè)的平滑電容器用的外部端子設(shè)置在所述封裝的周邊部，在所述外部端子和所述變換器電路之間設(shè)置電容器電流檢測器。這樣，可以減小平滑電容器的電容，使變換器裝置整體小型化。
為了解決上述第二課題，本發(fā)明的封裝型電能變換裝置的特征在于，具備主電路基板，其通過直流電路與分別具有橋式連接的多個半導體開關(guān)元件的兩組電能變換電路連接；控制電路基板，其形成控制所述兩組電能變換電路的多個半導體開關(guān)元件的控制電路；和封裝，其收納所述主電路基板，并重疊聯(lián)結(jié)所述控制電路基板，所述封裝在周邊部中具備分別與所述兩組電能變換電路連接的兩組交流端子；與所述直流電路并聯(lián)的平滑電容器用的外部端子；和與所述控制電路連接的外部端子，所述主電路基板具備至少兩個電流檢測器，其檢測流過所述平滑電容器用的外部端子的直流電流和所述各個電能變換電路的直流電流。
通過這種結(jié)構(gòu)，在具備本發(fā)明的變換器的效果的同時，如下所述，可以不增加檢測器的數(shù)量而使變換器和逆變器構(gòu)成的電能變換裝置小型化。也即，聯(lián)結(jié)兩組電能變換電路的直流電路和平滑電容器的連接部形成所謂的Y連接。因此，不必分別檢測流過平滑電容器的直流電流和流過兩組電能變換電路的直流電流，如果檢測出其中的兩組電流，則可以通過計算來求出剩余的一組電流。也即，也可設(shè)置電流運算機構(gòu)，其根據(jù)由至少兩個電流檢測器檢測出的兩個電流檢測值，求解沒有設(shè)置電流檢測器的部位的電流。該電流運算機構(gòu)可以通過微機和DSP(Digital Signal Processor)等的運算機構(gòu)來實現(xiàn)。另外，也可以不設(shè)置流過平滑電容器的電容器電流的檢測器，在這種情況下，根據(jù)變換器和逆變器的直流電流的差值來計算電容器電流。
特別，由于包含有負載側(cè)的所有的損耗的電能被從平滑電容器輸入到相當于轉(zhuǎn)換器的電能變換電路側(cè)，因此變換器側(cè)的直流電流方比逆變器的電流大。另外，因為基本上在平滑電容器中只流過電能變換電路的開關(guān)脈動量，因此，流過平滑電容器的電流的絕對值與兩個電能變換電路相比非常小。因此，優(yōu)選設(shè)置檢測相當于逆變器的電能變換電路的直流電流和平滑電容器的電容器電流的兩個電流檢測器。由此，可以減少電流檢測器的損耗量。
另外，在本發(fā)明的封裝型電能變換裝置中，控制電路為了將電容器電流控制為設(shè)置值，控制電能變換電路的一方、即相當于變換器的電能變換電路的多個半導體開關(guān)元件。另外，電流檢測器如果分別由分流電阻構(gòu)成，則可以通過使用OP放大器等放大裝置簡單地將電流信息變換為電氣信號。在這種情況下，最好將兩個至三個電流檢測器的一端連接在相同電位上。即，通過將平滑電容器的負側(cè)(N line)作為基準電位共同連接電流檢測器的一端，能夠得到不會受到半導體開關(guān)元件的配置、布線電阻造成的各電流檢測器的檢測偏差、噪音造成的基準電位的變動的影響的結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)在使用分流電阻的情況下，與使用非接觸型的電流傳感器的情況相同。
進而，在本發(fā)明的封裝型電能變換裝置中，控制電路具備判定機構(gòu)，其基于所述至少一個的電流檢測器的檢測電流來判斷連接交流電源的交流端子，基于該判定機構(gòu)的判斷結(jié)果，將與交流電源連接的電能變換電路作為變換器運行，將另一方的電能變換電路作為逆變器運行。即如果接通電源，則由于初始充電電流流過平滑電容器，因此可以通過觀察該動作，判斷兩組電能變換電路連接的外部端子中、哪一個與交流電源連接。
在結(jié)束初始充電時，控制電路具備判定機構(gòu)，其在導通所述兩組電能變換電路的一方的下臂的半導體開關(guān)元件之后，基于所述至少一個電流檢測器的檢測電流來判斷連接交流電源的交流端子，基于該判定機構(gòu)的判斷結(jié)果，將與交流電源連接的電能變換電路作為變換器運行，將另一方的電能變換電路作為逆變器運行，來代替上述結(jié)構(gòu)。
這樣，因為本發(fā)明的封裝型電能變換裝置能夠以平滑電容器為中心對稱地配置變換器和逆變器，因此交流電源無論與哪一個電能變換電路連接都可以運行。因此，飛躍地提高電能變換裝置的配置定位和適于空間的再配置等的自由度。
本發(fā)明的封裝型電能變換裝置，可以作為例如驅(qū)動封裝空調(diào)(空調(diào)機)等的壓縮機用電動機的系統(tǒng)的一個部件來安裝。
根據(jù)本發(fā)明，不會增加檢測器，就可以實現(xiàn)減少連接在直流電路的平滑電容器的電容的變換器。
另外，可以使具備將本發(fā)明的變換器作為直流源的逆變器構(gòu)成的電能變換裝置小型化，并且封裝化。


圖1表示使用有關(guān)本發(fā)明的變換器的電能變換裝置的一個實施方式的基本結(jié)構(gòu)圖。
圖2表示圖1的電能變換裝置的封裝的分解立體圖。
圖3表示圖1的電能變換裝置的詳細結(jié)構(gòu)圖。
圖4表示圖1的電能變換裝置的變換器電路控制機構(gòu)的詳細結(jié)構(gòu)。
圖5是說明圖4的交流電流再現(xiàn)機構(gòu)的動作的圖。
圖6表示圖1的電能變換裝置的逆變器電路控制機構(gòu)的詳細結(jié)構(gòu)。
圖7表示本發(fā)明的另一個實施方式的電能變換裝置的詳細結(jié)構(gòu)圖。
圖8表示本發(fā)明的另一個實施方式的電能變換裝置的詳細結(jié)構(gòu)圖。
圖9是說明圖8的實施方式中的判斷電源所連接的端子的方法的一個例子的圖。
圖10是說明圖8的實施方式中的判斷電源所連接的端子的方法的另一個例子的圖。
圖11是說明圖10的判斷方法的動作的圖。
圖12是說明圖10的判斷方法的動作的圖。
圖13表示本發(fā)明的另一個實施方式的電能變換裝置的詳細結(jié)構(gòu)圖。
圖14表示本發(fā)明的電能變換裝置適用于空調(diào)機的壓縮機驅(qū)動的一個實施方式的室外機的立體圖。
圖中1-變換器電路；2-逆變器電路；3、4、5-電流檢測器；6-交流電源；7-平滑電抗器；8-馬達；10-平滑電容器；11-控制部；18、19-驅(qū)動電路；21-A/D轉(zhuǎn)換機構(gòu)；22-變換器電路控制機構(gòu)；23-逆變器電路控制機構(gòu)具體實施方式
以下，根據(jù)實施方式對本發(fā)明進行說明。
(實施方式1)圖1中，表示利用有關(guān)本發(fā)明的變換器、輸出任意的頻率和電壓的交流電力的電能變換裝置的一個實施方式的基本結(jié)構(gòu)圖，圖2表示圖1的電能變換裝置的封裝的分解立體圖，圖3表示圖1的電能變換裝置的詳細結(jié)構(gòu)圖。另外，圖4表示圖1的電能變換裝置的變流電力控制機構(gòu)的詳細結(jié)構(gòu)，圖6表示逆變器電路控制機構(gòu)的詳細結(jié)構(gòu)。
如圖1所示，電能變換裝置14大致分為電能(power)部9和控制部11。電能部9具備變換器電路1；連接在變換器電路1的直流輸出的兩端的平滑電容器10；和連接在變換器電路1的直流輸出上的逆變器電路2。變換器電路1通過電抗器7與交流電源6連接，并將通過電抗器7輸入的交流電變換為直流電。逆變器電路2通過平滑電容器10將變換器電路1提供的直流電變換為交流電，并提供給馬達8。
另外，在連接變換器電路1和逆變器電路2的直流電路的負側(cè)(N line)上設(shè)置了檢測流過變換器電路1的直流側(cè)的電流的電流檢測器3、和檢測流過平滑電容器10的電流的電流檢測器4，此外，還設(shè)置了檢測平滑電容器10的直流電壓的電壓檢測器20。另一方面，控制部11構(gòu)成為具備控制變換器電路1和逆變器電路2的控制電路?？刂撇?1根據(jù)電流檢測器3、4檢測出的電流信息生成脈沖信號12和13，并驅(qū)動變換器電路1和逆變器電路2。
電能變換裝置14如圖2的分解立體圖所示，可以將電能部9與控制部11組裝在一個模塊(module)中一體地形成。也即，構(gòu)成為，將通過直流電路連接的變換器電路302和逆變器電路303組成的電能部9搭載在鋁制的主電路基板301上，該主電路基板301被收容在形成矩形的封裝300的凹部內(nèi)。另一方面，在子基板17上搭載控制部11，其具有控制電能部9的多個半導體開關(guān)元件的單芯片的微機16，通過與封裝300的一面重疊連結(jié)構(gòu)成封裝型電能變換裝置14。微機16也可以利用DSP。
封裝300的周邊部上設(shè)置了與變換器電路302連接的交流端子305a、與逆變器電路303連接的交流端子305c、與平滑電容器連接的外部端子305b、將變換器電路302和逆變器電路303連接在控制部11的控制電路上的外部端子組306。也即，在本實施方式中，形成外部設(shè)置平滑電容器的結(jié)構(gòu)。另外，在子基板17上設(shè)置了與上位控制裝置等的外部控制裝置連接的連接器(connector)307。另外，在主電路基板301上設(shè)置了檢測流過平滑電容器用的外部端子305b的電流、以及流過變換器電路302的直流側(cè)的電流的兩個電流檢測器304。另外，如后文所述，可以從圖1的直流電路中了解到檢測出流過平滑電容器的電流、流過變換器電路302的直流側(cè)的電流、以及流過逆變器電路303的直流側(cè)的電流的電流檢測器，因為N line的直流電路和平滑電容器的連接部構(gòu)成所謂的Y連接，因此，如果設(shè)置兩個電流檢測器，則可以通過計算來求得剩余的一個電流。
如圖2所示，本實施方式的封裝型電能變換裝置14分離配置包含半導體開關(guān)元件的電力系統(tǒng)和微機16等的控制系統(tǒng)，以使控制系統(tǒng)不會受到能源系統(tǒng)所產(chǎn)生的噪聲的影響。另外，安裝在主電路基板301上的半導體開關(guān)元件并不限于裸芯片(bare chip)，也可以安裝封裝部件。另外，通過在能源系統(tǒng)的半導體開關(guān)元件和控制系統(tǒng)的微機16之間配置密封板等，也可將微機16等的控制系統(tǒng)與電力系統(tǒng)的半導體開關(guān)元件等一起安裝在單一的主電路基板301上。另外，在要增減電能變換裝置14的電容的情況下，僅通過改變電能部就可以容易地進行部件的交換，并且提高了保養(yǎng)的容易度。
其中，圖3表示圖1記載的電能變換裝置14的各個部分的詳細構(gòu)成。如圖3所示，變換器電路1和逆變器電路2使用IGBT作為橋式連接的多個半導體開關(guān)元件。變換器電路1的IGBT分別構(gòu)成R相、S相、T相的上下臂(arm)。并且，各個相的上下臂的連接點通過電抗器7與交流電源6連接。變換器電路1通過第一驅(qū)動電路18放大第1PWM脈沖信號12，并將放大后的PWM脈沖信號12a～12c施加在各個相的IGBT上。每個IGBT根據(jù)該PWM脈沖信號12a～12c進行開關(guān)動作。變換器電路1構(gòu)成為，隨著該開關(guān)動作將交流電變換為直流點，并且進行輸入電流的波形整形和直流電壓的升壓動作。在本實施方式中，雖然沒有設(shè)置交流輸入電流的檢測器，但也可以基于由連接在流過變換器電路1的直流側(cè)的電流的路徑上的電流檢測器3所檢測出的直流電流和R相、S相、T相的上下臂的IGBT的動作狀態(tài)，來計算出交流輸入電流。具體的計算方法將在后文敘述。另外，變換器電路1可以進行在將直流電變換為交流電之后返回到交流電源6中的再生動作。
平滑電容器10對從變換器電路1輸出的直流電進行平滑。流過平滑電容器10的電容器電流被電流檢測器4檢測出。
逆變器電路2的IGBT也與變換器電路1一樣，分別構(gòu)成U相、V相、W相的上下臂，各相的上下臂的連接點與馬達8連接。該馬達8例如轉(zhuǎn)子由永久磁鐵構(gòu)成，并配置多個用于在該轉(zhuǎn)子的周圍形成交流磁場的線圈。逆變器電路2通過驅(qū)動電路19放大PWM脈沖信號13，并將放大后的PWM脈沖信號施加在各相的IGBT上。隨著各個IGBT進行開關(guān)動作，將通過平滑電容器10平滑的直流電變換為指定的電壓和頻率的交流電，并將變換后的交流電輸出到馬達8中。在本實施方式中，雖然沒有設(shè)置流過馬達8的交流電流的檢測器，但也可以根據(jù)電流檢測器3、4檢測出的電流來求出流過逆變器電路2的直流側(cè)的電流，并且根據(jù)求出的電流與U相、V相、W相的上下臂的IGBT的動作狀態(tài)計算出交流電流。對于具體的計算方法將在后文敘述。
控制電路11構(gòu)成為包括A/D(Analog to Digital)轉(zhuǎn)換機構(gòu)21、變換器電路控制機構(gòu)22、逆變器電路控制機構(gòu)23。A/D轉(zhuǎn)換機構(gòu)21具備分別放大電流檢測器3、4的信號的OP放大器等的放大器，和將PWM信號12與PWM信號13的任一個作為讀取模擬值的時間信號進行動作的A/D轉(zhuǎn)換器。該A/D轉(zhuǎn)換器具有采樣保持功能和A/D轉(zhuǎn)換功能，并設(shè)置在構(gòu)成控制電路11的單一的半導體集成電路內(nèi)。讀取的模擬值被轉(zhuǎn)換為數(shù)字值，并將該值輸出到變換器電路控制機構(gòu)22和逆變器電路控制機構(gòu)23中。
變換器電路控制機構(gòu)22通過A/D轉(zhuǎn)換機構(gòu)21輸入由檢測平滑電容器10兩端電壓的電壓檢測器20檢測出的直流電壓Edc；由電流檢測器3檢測出的變換器直流電流idc1、由電流檢測器4檢測出的電容器電流ic，并將PWM信號12輸出到變換器電路1的驅(qū)動電路18中，從而在使電容器電流ic最小化的同時，產(chǎn)生規(guī)定的直流電壓。另外，逆變器電路控制機構(gòu)23通過A/D轉(zhuǎn)換機構(gòu)21輸入由電流檢測器3檢測出的變換器直流電流idc1、由電流檢測器4檢測出的電容器電流ic，將PWM信號13輸出給逆變器電路2的驅(qū)動電路19，從而求出逆變器直流電流idc2，并輸出與指令對應的頻率和電壓的交流電。另外，在變換器電路控制機構(gòu)22和逆變器電路控制機構(gòu)23之間形成可以獲取各種數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)，這樣就可以協(xié)調(diào)控制變換器電路1和逆變器電路2。
在此，在用分流電阻作為電流檢測器3、4的情況下，將這兩個分流電阻的一端連接到平滑電容器10連接的N line側(cè)，另一端則輸入到A/D轉(zhuǎn)換機構(gòu)21。這樣，即使由于外界的噪聲等造成基準電位變動的情況下，因為兩個電流檢測器的相對關(guān)系沒有變化，因此可以減小相對誤差。另外，電流檢測器3、4并不限于分流電阻，也可以由CT(Current Transfer)和霍爾元件等構(gòu)成。在這種情況下，也可以以相同電位為基準來進行電流檢測。
圖4表示構(gòu)成有關(guān)本發(fā)明特征的變換器的變換器電路控制機構(gòu)22的詳細結(jié)構(gòu)。變換器電路控制機構(gòu)22由計算電壓指令值的回路和推定電源相位的回路構(gòu)成。
計算電壓指令的回路，構(gòu)成為包括以變換器電路1的變換器直流電流idc1為基準，求出RST相的三相交流電流的電流再現(xiàn)機構(gòu)100；用于將直流電壓Edc和直流電壓指令值Edc*的偏差控制為零的電壓補償器101；用于將流過平滑電容器10的電容器電流ic和電容器電流指令值ic*的偏差控制為零的電流補償器102；通過dq變換將三相交流電流變換為d1軸電流和q1軸電流的3φ/dq變換器103；和生產(chǎn)電壓指令值(Vdc1*和Vqc1*)的電壓指令值作成器104。
另外，推定電源相位的回路構(gòu)成為具備基于3φ/dq變換器103的輸出推定三相交流電源的相位的電源相位推定器107；用于將根據(jù)電源相位推定器107的推定得到的電源相位誤差Δθs和電源相位誤差指令值θs*的偏差抑制為零的相位補償器108；計算電源相位的電源相位計算器109。在本圖中，電容器電流指令值ic*、直流電壓指令值Edc*、電源相位誤差指令值Δθs*、電源角速度指令值ωs*預先在變換器電路控制機構(gòu)22內(nèi)被供給。但是，并不限于此，例如，也可以通過上位控制機構(gòu)和通信等方式從外部供給。
由此，基于電源相位計算器109計算出的電源相位θs*，由dq/3φ變換器105向三相軸進行坐標變換，并將從電壓指令值作成器104輸出的d1軸和q1軸的電壓指令值Vdc1*和Vqc1*輸入到脈沖生成器106中。脈沖生成器106根據(jù)電壓指令值生成PWM脈沖信號12并輸出給驅(qū)動電路18。
接下來，對變換器電路控制機構(gòu)22的各個部分進行說明。由電流檢測器4檢測出的電容器電流ic被A/D轉(zhuǎn)換機構(gòu)21轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并被輸入。電容器電流ic在減法器111中與電容器電流指令ic*進行比較，將其差Δic輸入給電流補償器102。另外，電容器電流指令ic*通常被賦值零。在電流補償器102中例如進行比例控制，并輸出用于將差Δic補償為零的q1軸電流成分的指令值。由此，可以將電容器電流ic控制為最小，也可以降低平滑電容器10的電容。
另一方面，由電壓檢測器20檢測出的直流電壓Edc被A/D轉(zhuǎn)換機構(gòu)21轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并被輸入。被輸入的直流電壓Edc在減法器112中與直流電壓的指令值Edc*比較，將其差ΔEdc輸入給電壓補償器101。在電壓補償器101中，例如進行積分控制，并輸出用于將差ΔEdc補償為零的q1軸電流成分的指令值。由此，直流電壓Edc可以被控制成期望的值。通過將電流補償器102和電壓補償器101的輸出相加，得到q1c軸電流指令值iq1c*并被輸入到減法器113中。
基于電流再現(xiàn)機構(gòu)100所再現(xiàn)的交流輸入電流，在該減法器113中輸入由3φ/dq變換器103變換的q1軸電流iq1c。由此，從減法器113求出電流指令值iq1c*和q1軸電流iq1c的差，將該差作為q1軸電流指令iq1**輸入到電壓指令值作成器104中。
這里，對電流再現(xiàn)機構(gòu)100進行說明。在電流再現(xiàn)機構(gòu)100中輸入由電流檢測器3檢測出的、被A/D轉(zhuǎn)換機構(gòu)21轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的變換器直流電流idc1。如圖5所示，電流再現(xiàn)機構(gòu)100基于被輸入的變換器直流電流idc1、和表示變換器電路1的IGBT的動作狀態(tài)的PWM脈沖信號12，使交流輸入電流再現(xiàn)。即，如該圖所示，電流檢測器3檢測出的變換器直流電流idc1與各個相的IGBT的開關(guān)的狀態(tài)對應進行變化。這里，圖5表示基準三角波121、三相電壓指令信號120、各個相的PWM脈沖信號12、各個相的輸入電流123a～d、流過電流檢測器3的直流電流idc1。在該圖中，各個相IGBT的驅(qū)動信號123a～c意味著在高電平時導通各個相的上臂，在低電平時導通各個相的下臂。在本圖中，雖然沒有設(shè)置用于說明的空載時間，但實際上也可以設(shè)置空載時間，以使各個相的上下臂不短路。
在圖5中，在只有T相的下臂導通、R相和S相的上臂導通的區(qū)間A和D中，可以觀測到相反極性的T相輸入電流。另外，在S相和T相的下臂導通、只有R相的上臂導通的區(qū)間B和C中，可以觀測相同極性的R相輸入電流。這樣，通過觀測每個區(qū)間的變換器直流電流，組合各個區(qū)間的變換器直流電流idc1，可以再現(xiàn)三相交流的輸入電流。
再現(xiàn)的輸入電流被輸入到3φ/dq變換器103中。3φ/dq變換器103根據(jù)電源相位θs*將作為輸入電流被再現(xiàn)的三相交流電流坐標變換為d1軸電路和q1軸電流，然后輸出已被坐標變換的d1c軸電流id1c和q1c軸電流iq1c。由減法器114求出d1c軸電流id1c和d1c軸電流指令id1c*的差，得到d1軸電流指令id1**，然后輸入到電壓指令值作成器104中。
在電壓指令值作成器104中，根據(jù)d1軸電流指令id1**、q1軸電流指令iq1**、預先賦值的電源角速度指令值ωs*，按照下面的公式1進行向量運算，并且將d1軸電壓指令值Vd1*和q1軸電壓指令值Vq1*輸出到dq/3φ變換器105和電源相位推定部107中。
(公式1)Vd1*＝R1c×id1**-ωs*×Lq1×iq1**Vq1*＝R1c×iq1**+ωs*×Ld1×id1**+ωs*Ka其中，R1c是電抗器7的線圈電阻值，Ld1是電抗器7的d1軸的電感(inductance)，Lq1是q1軸的電感，Ka是電源相電壓。
在dq/3φ變換器105中，將d1軸電壓指令值Vd1*和q1軸電壓指令值Vq1*坐標變換為三相電壓指令信號120。脈沖生成器106根據(jù)三相電壓指令信號120，生成驅(qū)動變換器電路1的各個相的IGBT的PWM脈沖信號12。
一方面，電源相位推定器107利用從3φ/dq變換器103輸出的d1c軸電流idc1、q1c軸電流iqc1、從電壓指令值作成器104輸出的d1軸電壓指令值Vd1*和q1軸電壓指令值Vq1*，計算交流電源6的電源相位θs與變換器電路控制機構(gòu)22所具有的目前交流電源相位θsc之間的誤差Δθsc作為與d1軸的偏差量。誤差Δθsc被從電源相位誤差指令值Δθs*中減去，并通過在相位補償器108中對該差值進行比例積分控制可以得到角速度誤差Δωsc。進而，求出從相位補償器108輸出的角速度誤差Δsc與電源角速度指令值ωs*的和，通過在電源相位計算器109中進行積分，可以推定電源相位θs。由該推定得到的電源相位θs被輸入到3φ/dq變換器103和電壓指令值作成器104中，分別在運算中使用。
這樣，在變換器電路控制機構(gòu)22中，計算出交流電源6的電源相位θs和變換器電路控制機構(gòu)22所具有的電源相位θsc的誤差Δθsc，采用PLL(Phase Locked Loop，鎖相環(huán)路)法對電源相位指令值Δθs*進行補正，并推定電源相位θsc，以使計算出的電源相位誤差Δθsc為零。另外，該補正通過將角速度誤差Δωs與電源角速度指令值ωs*相加而進行。
另一方面，逆變器電路控制機構(gòu)23，如圖6所示，輸入逆變器電路2的逆變器直流電流idc2。該逆變器直流電流idc2作為由電流檢測器3、4檢測出的變換器直流電流idc1和電容器電流ic之間的差值，通過下式2求得。該運算也可以在A/D轉(zhuǎn)換機構(gòu)21的A/D轉(zhuǎn)換前或者A/D轉(zhuǎn)換后的任一種狀態(tài)下進行計算。這樣，在本實施方式中，可以減少一個電流檢測器。特別，因為在平滑電容器10中基本上只流過功率變換電路的開關(guān)脈動(switching ripple)量，因此與設(shè)置有直接檢測逆變器直流電流idc2的電流檢測器的情況相比，因為電流檢測時的損耗量減少，因此可以高效率化。
(公式2)idc2＝idc1-ic逆變器電路控制機構(gòu)23構(gòu)成為具備基于所輸入的逆變器直流電流idc2求出UVW相的三相交流電流的電流再現(xiàn)機構(gòu)200；通過dq變換將三相交流電流變換為d2q2軸電流的3φ/dq變換器201；電壓指令值(Vd2c*和Vq2c*)作成器203；將d2q2軸坐標變換為三相軸的dq/3φ變換器204；生成PWM脈沖信號13的脈沖生成器205；磁極位置推定器206；用于將由磁極位置推定器206推定出的磁極位置誤差Δθc與磁極位置誤差指令值Δθc*＝(＝0)之間的偏差抑制為零的磁極位置補償器207；計算出磁極位置的磁極位置計算器208?；窘Y(jié)構(gòu)與變換器電路控制機構(gòu)22相同，由計算電壓指令值的回路和推定磁極位置的回路構(gòu)成。
首先，對計算電壓指令值的回路進行說明。將逆變器直流電流idc2輸入電流再現(xiàn)機構(gòu)200中，并使UVW相的三相交流電流再現(xiàn)。利用圖5對再現(xiàn)方法進行說明，在只有W相下臂導通、U相和V相上臂導通的區(qū)間內(nèi)可以觀察到相反極性的W相輸入電流。另外，在V相和W相下臂導通、只有U相上臂導通的區(qū)間內(nèi)可以觀察到相同極性的U相輸入電流。再現(xiàn)的三相交流電流被3φ/dq變換器201坐標變換為d2cq2c軸電流(id2c和iq2c)。通過低通濾波器202對坐標變換得到的q2c軸電流iq2c進行濾波處理，得到q2軸電流指令值iq2*。電壓指令作成器203，基于d2軸電流指令id2*、q2軸電流指令iq2*、角速度指令值ωi*，根據(jù)下式3進行向量運算，并將d2軸電壓指令值Vd2*和q2軸電壓指令值Vq2*輸出給dq/3φ變換器204和磁極位置推定器206。
(公式3)Vd2*＝R1i×id2**-ωi*×Lq2×iq2*Vq1*＝R1i×iq2**+ωi*×Ld2×id2**+ωi*×Ke其中，R1i是馬達8的線圈電阻值，Ld2是d2軸的電感，Lq2是q2軸的電感，Ke是發(fā)電常數(shù)。
dq/3φ變換器204，將d2軸電壓指令值Vd2*和q2軸電壓指令值Vq2*坐標變換為3相逆變器電壓指令信號220?；谠撊嗄孀兤麟妷褐噶钚盘?20，脈沖生成器205生成驅(qū)動各個相的IGBT的PWM脈沖信號13。對于推定磁極位置的回路，無需改變變換器電路控制機構(gòu)22中的電源相位推定回路和結(jié)構(gòu)，僅需改變控制常數(shù)。
作為協(xié)調(diào)運行變換器電路1和逆變器電路2的一個例子，有時要傳送直流電壓指令Edc*?？梢酝ㄟ^逆變器電路控制機構(gòu)23內(nèi)的電壓指令值作成器203簡單計算出逆變器電路2要求的直流電壓Edc。因此，通過將由電壓指令值作成器203計算出的直流電壓Edc的信息傳送給變換器電路控制機構(gòu)22，并使變換器電路控制機構(gòu)22內(nèi)的直流電壓指令值Edc*變化，在負載大時增大直流電壓指令值Edc*，負載小時減小直流電指令值Edc*，通過這樣，可以提高包含有變換器電路1、逆變器電路2和馬達8的系統(tǒng)的效率，實現(xiàn)節(jié)省能源。
另外，在本實施方式中，對利用作為本發(fā)明特征的變換器來構(gòu)成用于電動機驅(qū)動的電能變換裝置的例子進行了說明。但是，本發(fā)明并不限定于此，也可以不安裝逆變器而構(gòu)成變換器單體的電能變換裝置。另外，也可以僅使變換器部封裝化。
(實施方式2)圖7表示本發(fā)明的電能變換裝置的另一實施方式。本實施方式與圖1的實施方式不同的點在于，除了檢測變換器電路1的變換器直流電流idc1的電流檢測器3、和檢測流過平滑電容器10的電容器電流ic的電流檢測器4之外，還設(shè)置了直接檢測逆變器電路2的逆變器直流電流idc2的電流檢測器5。根據(jù)本實施方式，與圖1的實施方式進行比較，可以省略基于變換器直流電流idc1和電容器電流ic求解逆變器直流電流idc2的公式2的運算。
(實施方式3)圖8表示本發(fā)明的電能變換裝置的另一實施方式。本實施方式與圖1的實施方式不同的點在于，設(shè)置了直接檢測逆變器電路2的逆變器直流電流idc2的電流檢測器5，來代替檢測流過平滑電容器10的電容器電流ic的電流檢測器4。因此，流過平滑電容器10的電容器電流ic可以通過公式4根據(jù)逆變器直流電流idc1和逆變器直流電流idc2計算出。
(公式4)ic＝idc1-idc2根據(jù)本實施方式，電能變換裝置9的特征為以平滑電容器10為中心對稱地構(gòu)成。由此，由于可以將變換器電路1和逆變器電路2的功能更換，因此即使變換器電路1和逆變器電路2的任一方與電源連接，也可以通過更換變換器電路1和逆變器電路2的控制機構(gòu)22、23的功能來進行期望的動作。
但是，需要在正常運轉(zhuǎn)之前判定電源與哪個連接。以下，對判定方法的一個例子進行說明。另外，以下的說明中，對將交流電源與圖8中的變換器電路1的交流側(cè)連接，將交流負載與逆變器電路2的交流側(cè)連接的情況進行說明。
首先，利用圖9對導通電源之后的判定方法的一個例子進行說明。圖9表示電源接通信號50、逆變器的直流電流idc1的波形51、電容器電流ic的波形52、逆變器直流電流idc2的波形53。根據(jù)電源接通信號50，在電能變換裝置14連接電源時，初始充電電流流過平滑電容器10。該初始充電電流以交流電源6→電抗器7→與任一相的上臂半導體開關(guān)元件反向并聯(lián)的二極管→平滑電容器10→與任一相的下臂半導體開關(guān)元件反向并聯(lián)的二極管→電抗器7→交流電源6的回路流通。因此，如果在電源接通時刻54之后，在電流檢測時刻55的時刻進行電流檢測，則可以由電流檢測器3和4檢測出圖9所示那樣的電流51和52。也即，可以通過判定電流檢測器3、4中的哪一個可以進行電流檢測，從而判斷電源與變換器電路1和逆變器電路2的哪一方連接。
另一方面，在平滑電容器10已經(jīng)被充電的情況下，則不能利用圖9的方法進行判斷。利用圖10～圖12對這種情況的判斷方法的一個例子進行說明。圖10表示變換器電路1的下臂導通信號70、變換器的直流電流idc1的波形71、電容器電流ic的波形72和逆變器的直流電流idc2的波形73。變換器電路1的下臂導通信號70是驅(qū)動RST各個相的下臂半導體開關(guān)元件的信號，在高電平時導通半導體開關(guān)元件。也即，在圖10的導通期間74的期間，變換器電路1的所有相的下臂導通。此時，例如在R相電壓的正電壓最高、S相和T相是負電壓的情況下，如圖11的實線所示，電流以交流電源6→R相電抗器91→R相的下臂的半導體開關(guān)元件→S和T相的下臂的半導體開關(guān)元件→S和T相的電抗器92和93→交流電源6的回路流通。通過該電流，能量被存儲到電抗器7中。之后，如果導通RST相的下臂的半導體開關(guān)元件，則如圖12所示，通過電流流過交流電源6→R相電抗器91→R相的上臂的半導體開關(guān)元件81(反向并聯(lián)的二極管)→平滑電容器10→S和T相的下臂的半導體開關(guān)元件→S和T相的電抗器92和93→交流電源6的回路，存儲到電抗器7中的能量移動到平滑電容器10中。該電流如圖10的整流直流電流(idc1)71和電容器電流(ic)72那樣，在導通期間74之后流通。如果，在變換器電路1沒有連接交流電源6而是連接交流負載的情況下，即使導通截止RST相的下臂的半導體開關(guān)元件電流也不流通。因此，在導通期間74之后，在電流檢測時刻75的時刻檢測電流，可以判斷哪一個連接了電源。
在導通變換器電路1的所有相的下臂的時，流過各個相的電抗器91～93的電流流向不依賴于導通下臂時的交流電源6的相位，但即使在任意時刻導通下臂，也可通過電抗器7使交流電源6短路并將能量存儲到電抗器7中，為了移動該能量使變換器直流電流idc流過平滑電容器10，因此不需要特別規(guī)定下臂的導通期間74的時刻。
這樣，利用本實施方式，判定交流電源6與哪一個連接，在判定之后，通過切換變換器電路控制機構(gòu)22和逆變器電路控制機構(gòu)23的輸入輸出關(guān)系，無論電源與哪一個連接都可以運行。也即，即使錯誤地進行電能變換裝置9的輸入輸出布線，也可以運行。由此，不僅增加了布線的自由度，而且在使用本發(fā)明的電能變換裝置9適用于封裝空調(diào)等的壓縮機驅(qū)動系統(tǒng)的情況下，在替換已經(jīng)設(shè)置在封裝空調(diào)機的室外單元的電能變換裝置的情況下，無須改變布線的處理等。特別在提高保養(yǎng)性方面非常有效。
(實施方式4)圖13表示本發(fā)明的電能變換裝置的另一個實施方式。本實施方式與圖1的實施方式不同的點在于設(shè)置了直接檢測逆變器電路2的逆變器直流電流idc2的電流檢測器5，來代替檢測變換器直流電流idc1的電流檢測器3。因此，變換器直流電流idc1可利用公式5根據(jù)流過平滑電容器10的電容器電流ic和逆變器直流電流idc2計算出。
(公式5)idc1＝ic+idc2根據(jù)本實施方式，因為在變換器側(cè)輸入具有包含有平滑電容器10、逆變器電路2和馬達8等的所有損耗的電能，因此變換器直流電流idc1方比逆變器側(cè)大。另外，因為平滑電容器10中基本上只流過電能變換電路的開關(guān)脈動部分，因此，流過平滑電容器10的電流的絕對值與兩個電能變換電路相比小很多。由此，通過本實施例所示的結(jié)構(gòu)，可以減小變換器側(cè)的直流電檢測器的損耗量，并與其他實施例相比可提高效率。
(實施方式5)圖14表示將本發(fā)明的電能變換裝置14適用于空調(diào)機的壓縮機驅(qū)動中的室外機500的模式圖。被封裝化的電能變換裝置501通過布線502與壓縮機503連接，驅(qū)動壓縮機503內(nèi)的馬達并壓縮冷卻劑。被壓縮的高壓冷卻劑通過管道504并通過熱交換器505釋放熱量。雖然本圖沒有示出，但也有與室外機500成對的室內(nèi)機。冷卻劑在室內(nèi)機的熱交換器中變?yōu)榈蛪海谖諢崃恐蠓祷氐綁嚎s機503中。另外，冷房動作和暖房動作中冷卻劑會反向流通，通過室內(nèi)機的熱交換器釋放熱量。通過使電能變換裝置14形成封裝型，可以容易進行故障維修。
權(quán)利要求
1.一種變換器，其特征在于，具備變換器電路，其具有將交流電變換為直流電的橋式連接的多個半導體開關(guān)元件；平滑電容器，其并聯(lián)在該變換器電路的直流側(cè)；和電容器電流檢測器，其為了將流過所述平滑電容器的電容器電流控制為設(shè)定值，而被設(shè)置在電容器電路上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的變換器，其特征在于，具有控制電路，其控制所述多個半導體開關(guān)元件，并將所述電容器電流控制為所述設(shè)定值。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的變換器，其特征在于，所述控制電路具有q軸電流控制機構(gòu)，其控制所述變換器電路的直流輸出的q軸電流成分，以使所述電容器電流和所述設(shè)定值之間的差減小。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的變換器，其特征在于，具有檢測所述變換器電路的直流電流的直流電流檢測器，所述控制電路具有運算機構(gòu)，其基于所述直流電流和所述多個半導體開關(guān)元件的動作狀態(tài)，求出所述變換器電路的輸入側(cè)的交流電流；和補償機構(gòu)，其求出所述交流電流的q軸電流成分，并由該求得的q軸電流成分補正所述q軸電流指令值。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的變換器，其特征在于，所述電容器電流檢測器和所述直流電流檢測器是分流電阻。
6.一種封裝型變換器，其特征在于，具備主電路基板，其形成具有將交流電變換為直流電的橋式連接的多個半導體開關(guān)元件構(gòu)成的變換器電路；控制電路基板，其形成控制所述多個半導體開關(guān)元件的控制電路；和封裝，其收納所述主電路基板，并重疊聯(lián)結(jié)所述控制電路基板，將并聯(lián)在所述變換器電路的直流側(cè)的平滑電容器用的外部端子設(shè)置在所述封裝的周邊部，在所述外部端子和所述變換器電路之間設(shè)置電容器電流檢測器。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的封裝型變換器，其特征在于，所述控制電路具有電流控制機構(gòu)，其控制所述多個半導體開關(guān)元件，并將流過所述平滑電容器的電容器電流控制為設(shè)定值。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的封裝型變換器，其特征在于，所述電流控制機構(gòu)具有q軸電流控制機構(gòu)，其對所述變換器電路的直流側(cè)的q軸電流成分進行控制，并減小所述電容器電流和所述設(shè)定值之間的差。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的封裝型變換器，其特征在于，具有檢測所述變換器電路的直流電流的直流電流檢測器，所述控制電路具有運算機構(gòu)，其基于所述直流電流和所述多個半導體開關(guān)元件的動作狀態(tài)，求出所述變換器電路的輸入側(cè)的交流電流；和補償機構(gòu)，其求出所述交流電流的q軸電流成分，并由該求得的q軸電流成分補正所述q軸電流指令值。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的封裝型變換器，其特征在于，所述電容器電流檢測器和所述直流電流檢測器是分流電阻。
11.一種封裝型的電能變換裝置，其特征在于，具備主電路基板，其通過直流電路與分別具有橋式連接的多個半導體開關(guān)元件的兩組電能變換電路連接；控制電路基板，其形成控制所述兩組電能變換電路的多個半導體開關(guān)元件的控制電路；和封裝，其收納所述主電路基板，并重疊聯(lián)結(jié)所述控制電路基板，所述封裝在周邊部中具備分別與所述兩組電能變換電路連接的兩組交流端子；與所述直流電路并聯(lián)的平滑電容器用的外部端子；和與所述控制電路連接的外部端子，所述主電路基板具備至少兩個電流檢測器，其檢測流過所述平滑電容器用的外部端子的直流電流和所述各個電能變換電路的直流電流。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的封裝型的電能變換裝置，其特征在于，所述控制電路具有電流運算機構(gòu)，其基于由所述兩個電流檢測器檢測出的兩個電流檢測值，求出沒有設(shè)置所述電流檢測器的部位的電流。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的封裝型的電能變換裝置，其特征在于，所述控制電路，為了將流過所述平滑電容器用的外部端子的直流電流控制為設(shè)定值，而對所述兩組電能變換電路的一方的多個半導體開關(guān)元件進行控制。
14.根據(jù)權(quán)利要求11所述的封裝型的電能變換裝置，其特征在于，所述至少兩個電流檢測器分別是分流電阻。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的封裝型的電能變換裝置，其特征在于，所述至少兩個分流電阻，一端與相同的電位連接。
16.根據(jù)權(quán)利要求11所述的封裝型的電能變換裝置，其特征在于，所述控制電路具備判定機構(gòu)，其基于所述至少一個的電流檢測器的檢測電流來判斷與交流電源連接的交流端子，基于該判定機構(gòu)的判斷結(jié)果，將與交流電源連接的電能變換電路作為變換器運行，將另一方的電能變換電路作為逆變器運行。
17.根據(jù)權(quán)利要求11所述的封裝型的電能變換裝置，其特征在于，所述控制電路具備判定機構(gòu)，其在導通所述兩組電能變換電路的一方的下臂的半導體開關(guān)元件之后，基于所述至少一個電流檢測器的檢測電流來判斷與交流電源連接的交流端子，基于該判定機構(gòu)的判斷結(jié)果，將與交流電源連接的電能變換電路作為變換器運行，將另一方的電能變換電路作為逆變器運行。
18.一種空調(diào)機，其特征在于，構(gòu)成為具備權(quán)利要求11所述的封裝型的電能變換裝置，由該電能變換裝置驅(qū)動壓縮機的電動機。
全文摘要
本發(fā)明的變換器構(gòu)成為，具備具有將交流電變換為直流電的橋式連接的多個半導體開關(guān)元件構(gòu)成的變換器電路(1)、與該變換器電路的直流側(cè)并聯(lián)的平滑電容器(10)；和為了將流過該平滑電容器的電容器電流控制為設(shè)定值，而設(shè)置在電容器電路上的電流檢測器(4)，通過將電容器電流控制為設(shè)定值(例如，零)，減小平滑電容器的電容，使變換器小型化。
文檔編號H02M7/219GK1744421SQ20051009598
公開日2006年3月8日 申請日期2005年8月30日 優(yōu)先權(quán)日2004年8月30日
發(fā)明者鈴木尚禮, 巖路善尚, 遠藤常博, 能登原保夫, 栗田佳明, 安藤達夫, 田中主稅 申請人:株式會社日立制作所, 株式會社日立空調(diào)系統(tǒng)