電動機驅動用逆變器的制造方法
【專利摘要】作為本發(fā)明的一個實施方式，提供一種逆變器，其產生用于向具有多個相且在各相上配置有多個線圈的電動機供給的多個交變信號。提供一種電動機驅動用逆變器，其特征在于，該逆變器具有：多級的脈沖密度調制器，其調制周期性地進行變動并控制前述電動機的旋轉的信號；以及多個開關元件，其通過前述脈沖密度調制器的輸出信號而被選擇，通過對直流電流的接通/斷開進行控制而生成前述多個交變信號的每一個。
【專利說明】電動機驅動用逆變器
[0001]【技術領域】
本發(fā)明涉及一種電動機驅動用逆變器。特別地，本發(fā)明涉及一種通過數(shù)字信號對橋接的多個開關元件進行控制直流電，從而驅動電動機的電動機驅動用逆變器電路。
[0002]【背景技術】
通常，3相電動機驅動用逆變器利用橋接的6個開關元件將直流變換為3相的交變信號而驅動電動機。在這里，開關元件通常使用IGBT (絕緣柵型雙極晶體管)或M0SFET。
[0003]在圖1中，示出了直流電源(100)、由橋接的6個開關元件構成的逆變器電路
(101),以及利用由前述逆變器電路生成的3相的交變信號(103)的信號進行驅動的3相電動機(104)的典型的公知例。
[0004]通常，在開關元件的控制中使用PWM (脈寬調制)信號，通過與PWM信號對應地使開關元件進行開關動作，輸出交變信號。在3相電動機的情況下，通常通過將從6組開關元件得到的共計3相的交變信號向電動機施加，從而控制電動機的旋轉。具體地說，通過利用PWM信號對從逆變器電路輸出的3相的交變信號的振幅電壓和頻率進行控制，從而可以控制電動機的轉速和扭矩。
[0005]使用圖2，說明與PWM信號對應而逆變器電路得到電壓振幅可變的3相的交變信號的原理。將基準信號的三角波(201)和相位偏移120度的正弦波的輸入電壓(202a~202c)利用電壓比較器進行比較。來自電壓比較器的信號(203a~203c ) U、V、W分別是與正弦波的輸入電壓(202a~202c)對應的PWM信號。即，正弦波的輸入電壓(202a~202c)的振幅變化，則PWM信號的脈寬也變化，由PWM信號控制的開關元件的通/斷比變化，從而逆變器電路輸出的交變信號的振幅電壓變化。
[0006]另外，如果正弦波的輸入電壓(202a~202c)的頻率改變，則PWM信號的脈沖密度變化，通過由PWM信號控制的開關元件的接通/斷開的頻率改變，從而逆變器電路輸出的交變信號的頻率變化。
[0007]如果提高基準信號的三角波的頻率，則因為開關元件的接通/斷開的開關頻率提高，每一次的開關可以控制的電流量降低，因此可以抑制由于開關導致的交變信號的電流波動和電動機的磁場噪聲。
[0008]專利文獻1:日本特開平6 — 225527號公報 專利文獻2:日本特表2003 — 530062號公報
但是，因為提高了開關元件的接通/斷開的開關頻率，產生下述問題，即，開關元件自身消耗的電流增加，整體的效率降低。
[0009]如上所述，在電動機驅動用的逆變器電路中，開關元件及其控制方法從功能、效率和成本方面考慮是基礎的重要部件。在電動機驅動用逆變器電路中，不損害整體效率且實現(xiàn)功能和成本兼顧成為重要的技術課題。
[0010]通常，為了使開關元件小型化?高效化，具有下述3種手段:(I)使開關元件接通/斷開的電流值降低，(2)使接通電壓降低，(3)使開關時間縮短。
[0011](I)如果提高輸入逆變器的直流電源的電壓值，則電動機為了得到相同的額定功率(電力)而所需的電流值降低，因此，可以降低開關元件進行接通/斷開的電流的電流值。但是，由于施加在開關元件上的電壓上升，逆變器電路輸出的交變信號的振幅值增加，所以，需要提高開關元件、逆變器電路及電動機內的線圈之間的耐絕緣性。如果提高耐絕緣性，則容易導致逆變器電路及電動機機器的大型化。另外，由于需要用于向逆變器電路輸入的高電壓的直流電位，所以如果在逆變器的前段導入升壓電路，則產生導致機器成本増加的問題。
[0012](2)開關元件的接通電壓基本是由開關元件的物理特性決定的。例如，在開關電壓為200V以下的情況下，可以替代IGBT而使用接通電壓較低的MOSFET作為開關元件。通常，如果IGBT或MOSFET等的固體電子元件的開關電壓提高，則接通電壓也變高。由此，為了使開關元件小型化，盡可能降低開關電壓這ー措施是有效的。
[0013] (3)為了縮短逆變器電路的開關時間，需要提高輸入逆變器電路的PWM信號的跳轉速度。為了提高與開關元件的柵極連接的PWM信號的跳轉速度，需要降低作為負載的開關元件的柵極容量，或者提高PWM信號的驅動能力。通常，如果開關元件的耐壓提高，則柵極容量也増加。如果柵極容量増加，則產生下述問題，即，開關元件自身消耗的電流增加，整體的效率降低。由此，為了使開關元件高效化，盡可能降低開關電壓這ー措施是有效的。
[0014]如上所示，降低開關電壓對開關元件小型化有效。另ー方面，如果降低開關電壓，則電動機驅動所需的電流就要増加，因此，需要増加開關元件的容量(開關元件的數(shù)量)，產生無法使電動機驅動用逆變器電路小型化?高效化的問題。
[0015]在圖1中，示出了作為電動機驅動用逆變器電路的開關元件的控制信號，使用將基準三角波和輸入正弦波信號通過電壓比較器比較而得到的PWM信號的例子，但也可以替代PWM信號，而利用使用I位三角積分調制(Delta-Sigma調制器)將輸入正弦波信號進行脈沖密度調制(PDM)后的信號，從而控制開關元件。在專利文獻I中，示出了將利用一次I位三角積分調制器調制輸入正弦波信號而得到的信號作為開關元件控制信號，驅動單相感應型電動機的例子。在專利文獻2中，示出了利用來自Delta-Sigma變換器的PDM信號控制共振型的開關電源的開關元件的例子。
[0016]但是，在利用形成為PDM的信號控制開關元件的情況下，通過降低開關電壓而對開關元件小型化是有效的，但如果降低開關電壓，則電動機驅動所需的電流就會増加，因此，需要増加開關元件的容量(開關元件的數(shù)量)，無法使電動機驅動用逆變器電路小型化?高效化，即，無法解決這ー相反的問題。
[0017]根據(jù)上述說明可知，為了在不會使電動機驅動用逆變器電路損失所要求的功能和效率的同時降低成本，降低開關電壓這ー措施是有效的。但是，如果降低開關電壓，則電動機驅動所需的電流就會増加，產生開關元件無法小型化的問題，另外，如果降低開關電壓，則為了得到電動機驅動所需的電流，需要増加開關元件的容量(開關元件的數(shù)量)，產生下述問題，即，開關元件自身消耗的電流增加，整體的效率降低。
【發(fā)明內容】
[0018]作為本發(fā)明的一個實施方式，提供一種逆變器，其產生用于向具有多個相且在各相上配置有多個線圈的電動機供給的多個交變信號。該逆變器的特征在于，具有:多級脈沖密度調制器，其調制周期性地進行變動并控制前述電動機的旋轉的信號；以及多個開關元件，其通過前述脈沖密度調制器的輸出信號而被選擇，通過對直流電流的接通/斷開進行控制而生成前述多個交變信號的每ー個。
[0019]另外，作為本發(fā)明的一個實施方式，提供一種逆變器的動作方法，其是產生用于向具有多個相且在各相上配置有多個線圈的電動機供給的多個交變信號的逆變器的動作方法。該動作方法的特征在于，利用多級脈沖密度調制器，調制周期性地進行變動并控制前述電動機的旋轉的信號，并生成輸出信號，根據(jù)前述輸出信號而分別選擇多個開關元件，通過對直流電流的接通/斷開進行控制而生成前述多個交變信號的每ー個。
[0020]發(fā)明的效果
根據(jù)本發(fā)明，通過使用具有多級輸出的脈沖密度調制器，根據(jù)輸入正弦波信號制作多個PDM (脈沖密度調制)后的信號，利用前述多個PDM信號控制多個開關元件，從而可以ー邊降低開關電壓，ー邊抑制每個開關元件中的電動機驅動所需的電流。為了確保電動機驅動所需的電流量，需要増加開關元件的容量(開關元件的數(shù)量)，但通過利用多個PDM (脈沖密度調制)獨立地對開關元件進行開關，可以抑制開關元件自身消耗的電流增加。由此，可以實現(xiàn)電動機驅動用逆變器電路的小型化?高效化。[0021]根據(jù)本發(fā)明，利用通過具有多級輸出的脈沖密度調制器對輸入正弦波信號進行PDM (脈沖密度調制)后所成的多個信號，控制多個開關元件，從而可以降低每個開關元件的開關電壓。由于開關元件所需的耐壓降低，所以可以利用柵極容量較小的開關元件，因此，可以使開關時間聞速化，提聞逆變器電路的效率。
[0022]流過開關元件的電流是根據(jù)PDM信號的通/斷比和同時接通開關元件的數(shù)量而控制的，因此，在所需的電流量較少的情況下，無需使PDM信號跳轉，可以抑制開關元件自身消耗的電流，從而不損失效率。
[0023]另外，由于利用多個開關元件對電流進行并聯(lián)控制，所以可以抑制電動機驅動所需的各個開關元件中的電流。因此，可以降低開關電壓。由于開關電壓降低，就可以利用耐壓較低且接通電壓較低的開關元件，因此，可以推進電動機驅動用逆變器電路的高效化?小型化，同時降低成本。
[0024]【專利附圖】
【附圖說明】
圖1是現(xiàn)有例的3相電動機用逆變器電路。
[0025]圖2是表示現(xiàn)有例的3相電動機用逆變器電路的PWM控制的動作原理的圖。
[0026]圖3是本發(fā)明的第I實施方式所涉及的電動機系統(tǒng)的電路圖。
[0027]圖4a是本發(fā)明的第I實施方式所涉及的電動機系統(tǒng)的3相電動機用逆變器電路的詳細電路圖。
[0028]圖4b是本發(fā)明的第I實施方式所涉及的電動機系統(tǒng)的3相電動機用逆變器電路的PDM控制的動作原理圖。
[0029]圖5是本發(fā)明的第2實施方式所涉及的電動機系統(tǒng)的3相電動機用逆變器電路。
[0030]圖6a是本發(fā)明的第2實施方式所涉及的電動機系統(tǒng)的3相電動機用逆變器電路圖。
[0031]圖6b是本發(fā)明的第2實施方式所涉及的電動機系統(tǒng)的3相電動機用逆變器電路的PDM控制的動作原理圖。
[0032]圖6c是本發(fā)明的第2實施方式所涉及的電動機系統(tǒng)的3相電動機用逆變器電路的PDM控制的動作原理圖。
[0033]圖7是本發(fā)明的一個實施方式所涉及的電動機系統(tǒng)的信號選擇濾波電路圖。
[0034]圖8是本發(fā)明的一個實施方式所涉及的電動機系統(tǒng)的信號選擇濾波電路圖。
[0035]【具體實施方式】
下面，參照附圖，說明用于實施本發(fā)明的最佳方式。此外，本發(fā)明并不由下述說明限定，可以在不脫離本發(fā)明的主g的范圍內進行各種變形。
[0036](第I實施方式)
圖3是表示本發(fā)明的第I實施方式所涉及的電動機系統(tǒng)的電路圖。本實施方式所涉及的電動機系統(tǒng)具有3相電動機用的逆變器電路。在本實施方式中，由直流電源(300)、產生多個PDM信號的多級三角積分調制電路(301)、由橋接的多個開關元件構成的逆變器電路(302)、以及被供給由前述逆變器電路生成的多個3相交變信號(303)的具有多個線圈的3相電動機(304)構成。此外，也可以將該結構通常化而將三角積分調制電路作為脈沖密度調制電路。下面，為了使說明簡單，說明使用三角積分調制電路作為脈沖密度調制電路的實施方式。另外，也可以替代三角積分調制電路而使用過采樣型調制器。
[0037]特別地，在各相上配置多個線圈而構成3相電動機。即，本發(fā)明的一個特征在于由被供給多個3相交變信號(303)的具有多個線圈的3相電動機(304)構成。由此，替代現(xiàn)有技術中利用交變信號的電壓控制電動機的驅動能力的方式，而對分別被輸入交變信號的線圈的數(shù)量進行控制，從而可以控制電動機的驅動能力。即，也可以說是降低了電動機的驅動電壓，但增加了電動機的驅動線圈的數(shù)量。如果將電動機的驅動線圈的數(shù)量設為N、將驅動電カV下流過電動機的驅動線圈的電流設為I，則功率為NX I XV。即，如果功率相同，則可以將驅動電壓降低至只有單個線圈的電動機要得到相同功率時所需的電壓的1/N。
[0038]在多級三角積分調制電路(301)中，輸入周期性地變動并控制電動機(304)的旋轉的信號。例如，將圖2所示的三角波和不同相位的多個正弦波分別利用比較器比較的結果輸入多級三角積分調制電路(301)。
[0039]在圖4a中，更詳細地示出由橋接的多個開關元件(402a、402b、404a、404b)構成的逆變器電路(401)、由前述逆變器電路生成的多個交變信號(403、405 )和電動機內部的多個線圈(406)的連接關系。多個開關元件(402a、402b、404a、404b)根據(jù)多級三角積分調制電路產生的多個PDM信號而進行開關動作。在圖4a中，示出了為了得到3相交變信號中的I相交變信號所需的逆變器電路，剰余的2相信號也通過相同的電路生成。
[0040]在圖4b中，示出了控制開關元件(402a、402b、404a、404b)的多個PDM信號、以及供給了多個交變信號(403、405)的多個線圈(406)中流過的電流信號的情況。
[0041]根據(jù)圖4b可知，如果交變信號的電壓增高，則3個線圈(406)全部流過電流，如果交變信號的電壓降低，則僅I個線圈流過電流。通過這樣與驅動電動機的電カ對應地控制多個交變信號，就可以降低驅動電動機的驅動電壓。另外，由于如上所示，與驅動電動機的電カ對應而輸入PDM信號的開關元件的數(shù)量改變，所以開關元件自身消耗的電流減少，可以使電動機驅動用逆變器電路高效化。
[0042]如上所述，將本實施方式所涉及的電動機系統(tǒng)的逆變器電路用于具有被供給多個3相交變信號(303)的多個線圈的3相電動機(304)，可以降低驅動電動機的驅動電壓。
[0043](第2實施方式) 另ー方面，如果配置在電動機內的多個線圈的各自的物理配置位置在多個線圈間彼此不同，則會產生其它問題。如果線圈的物理配置位置不同，則與線圈的位置相対的電動機的轉子磁鐵之間的物理位置關系也因線圈不同而彼此不同，其結果，產生多個線圈各自的電動機驅動カ不同的新問題。
[0044]S卩，如果多個線圈各自的電動機驅動カ不同，則產生下述問題，S卩，電動機的驅動能力產生不均勻，導致電動機的磁場噪聲或電動機的機械振動。因此，通過將多級三角積分調制電路產生的多個PDM信號由信號選擇濾波電路生成均等的多個PDM信號，就可以避免該問題。
[0045]圖5示出本發(fā)明的第2實施方式所涉及的電動機系統(tǒng)的電路。本實施方式所涉及的電動機系統(tǒng)具有3相電動機和3相電動機用的逆變器電路。在本實施方式中，由直流電源(500)、產生多個PDM信號的多級三角積分調制電路(501)、將開關元件的使用頻率均等化的信號選擇濾波電路(502)、由橋接的多個開關元件構成的逆變器電路(503)、以及具有被供給由前述逆變器電路生成的多個3相交變信號(504)的多個線圈的3相電動機(505)構成。
[0046]在圖6a中，示出本發(fā)明的實施方式所涉及的電動機系統(tǒng)的逆變器電路圖。該逆變器電路具有:多級三角積分調制電路(602)，其被輸入用于控制電動機的旋轉的電動機控制信號(601);信號選擇濾波電路(604);直流電源(606);以及橋接的多個開關元件(607a、607b )，其與直流電源(606 )連接。多級三角積分調制電路(602 )產生多個PDM信號(603 )。PDM信號(605)是選擇濾波器生成的信號，使開關元件被選擇的頻率均等化。通過利用PDM信號(605)選擇多個開關元件，從而生成多個交變信號(608)。在圖6a中，示出了為了得到3相交變信號中的I相交變信號所需的逆變器電路，剰余的2相信號也通過相同的電路生成。
[0047]在本實施方式中，其ー個特征在于，對由多級三角積分調制電路(602)產生的多個PDM信號(603)，利用信號選擇濾波電路(604)進行濾波而生成多個PDM信號(605)，以控制選擇開關元件的頻率，使開關頻率均等。
[0048]圖6b示出由信號選擇濾波電路(604)濾波后的用于控制開關元件(607a、607b)的多個PDM信號的時間變化。圖6c示出從多級三角積分調制電路(502)產生的多個PDM信號(503)的時間變化。在這兩種情況下，均是如果交變信號的電壓增高，則使用全部3個開關元件，如果交變信號的電壓降低，則僅使用I個開關元件。但具有下述特征，即，與圖6c相比，圖6b中使用3個開關元件的頻率是均等的。
[0049]如上所述，通過使用3個開關元件的頻率均等，從而可以解決下述問題，即，由于配置在電動機內的多個線圈各自的物理配置位置在多個線圈間彼此不同而導致多個線圈各自的電動機驅動カ不同。
[0050]在圖7中示出本實施方式所涉及的電動機系統(tǒng)的信號選擇濾波電路圖。將多級三角積分調制電路產生的多個PDM信號(701)輸入信號選擇濾波電路(702)，生成濾波后的多個PDM信號(703)。在本實施方式中，作為信號選擇濾波電路使用旋轉選擇電路。旋轉選擇電路基于輸入的多個PDM信號(701)的信息，以順序使用開關兀件的方式選擇作為輸出的多個PDM信號(703),由此,作為信號選擇濾波器進行動作。
[0051]圖8示出構成本實施方式所涉及的電動機系統(tǒng)的信號選擇濾波電路(800)的結構要素。對從三角積分調制電路產生的多個PDM信號(801)，通過將濾波電路內的由延遲元件和加法器構成的積分電路(805)及積分電路(806)的輸出信號(807、808)輸入排序電路(810)，由選擇電路(802)根據(jù)前述排序電路(810)的輸出信號(803)計算使用頻率，以使選擇開關元件的頻率均等的方式對選擇進行控制后，作為多個PDM信號(804)輸出。
[0052]以上示出了構成本實施方式所涉及的電動機系統(tǒng)的信號選擇濾波電路使用2級積分電路的結構，但信號選擇濾波電路也可以由I級以上的任意級數(shù)的積分電路構成。
[0053](其它實施方式)
在本發(fā)明的第I~2實施方式中，示出了通常的3相電動機用的逆變器電路的例子，但本發(fā)明的效果對于具有任意個相、任意個線圈的電動機也是有效的。另外，為了簡化說明，示出了作為脈沖密度調制電路而使用三角積分調制電路的實施方式，但也可以替代三角積分調制電路而使用過采樣型調制器。通過向多個線圈施加多個PDM信號而驅動電動機的方法，可以以較低的電壓得到較高的驅動能力，因此，可以有效地應用于電動汽車用的電動機中。通過利用本發(fā)明的一個實施方式 所涉及的逆變器電路，可以實現(xiàn)高效率?小型的面向電動汽車用電動機的逆變器電路。
[0054]在本發(fā)明的第I~2實施方式中，示出了沒有反饋控制的通常的3相電動機用逆變器電路的例子，但本發(fā)明的效果對于利用傳感器等測定電動機的旋轉角度等而對電動機進行反饋控制的電動機也是有效的。通過向多個線圈施加多個PDM信號而驅動電動機的方法，可以以較低的電壓得到較高的驅動能力，因此，可以有效地應用于電動汽車用的電動機中。通過利用本發(fā)明的一個實施方式所涉及的逆變器電路，可以實現(xiàn)高效率?小型的面向電動汽車用電動機的逆變器電路。
[0055]在至此為止對本發(fā)明的實施方式的說明中，示出了通常的3相電動機用的逆變器電路的例子，但本發(fā)明的效果并不限于感應電動機，也可以應用在直流無刷電動機中。
【權利要求】
1.一種電動機驅動用逆變器，其特征在于，其產生用于向具有多個相且在各相上配置有多個線圈的電動機供給的多個交變信號，所述電動機驅動用逆變器具有: 多級的脈沖密度調制器，其調制周期性地進行變動并控制前述電動機的旋轉的信號；以及 多個開關元件，其通過前述脈沖密度調制器的輸出信號而被選擇，從而對直流電流的接通/斷開進行控制，由此生成前述多個交變信號的每ー個。
2.根據(jù)權利要求1所述的電動機驅動用逆變器，其特征在干， 還具有濾波電路，其被輸入前述脈沖密度調制器的輸出信號，使用于生成向前述各相的線圈供給的前述交變信號的前述開關元件各自通過前述脈沖密度調制器的輸出信號而被選擇的頻率均等化。
3.根據(jù)權利要求2所述的電動機驅動用逆變器，其特征在干， 前述濾波電路是根據(jù)輸入前述脈沖密度調制器的輸出信號的信號而順次選擇輸出信號的電路。
4.根據(jù)權利要求2所述的電動機驅動用逆變器，其特征在干， 前述濾波電路具有:積分電路，其輸入前述脈沖密度調制器的輸出信號；以及排序電路，其使得前述開關元件根據(jù)前述積分電路的輸出信號而被選擇的頻率均等化。
5.根據(jù)權利要求2所述的電動機驅動用逆變器，其特征在干， 前述脈沖密度調制器由三角積分調制器構成。
6.根據(jù)權利要求2所述的電動機驅動用逆變器，其特征在干， 前述脈沖密度調制器由過采樣型調制器構成。
7.一種動作方法，其是產生用于向具有多個相且在各相上配置有多個線圈的電動機供給的多個交變信號的逆變器的動作方法， 其特征在干， 利用多級脈沖密度調制器，調制周期性地進行變動并控制前述電動機的旋轉的信號，并生成輸出信號， 根據(jù)前述輸出信號而分別選擇多個開關元件中的各開關元件，通過對直流電流的接通/斷開進行控制而生成前述多個交變信號的每ー個。
【文檔編號】H02M7/493GK103534922SQ201280010455
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2012年3月23日 優(yōu)先權日:2011年3月31日
【發(fā)明者】安田彰, 岡村淳一 申請人:株式會社特瑞君思半導體