專利名稱：直接型功率轉(zhuǎn)換裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及直接型功率轉(zhuǎn)換裝置，詳細(xì)地講，涉及在直流連接部設(shè)有鉗位電路的
直接型功率轉(zhuǎn)換裝置。
背景技術(shù)：
在后述的非專利文獻1中，公開了具有鉗位電路的直接型交流功率轉(zhuǎn)換裝置。圖 9示出了非專利文獻1所記載的直接型交流功率轉(zhuǎn)換裝置。在該直接型交流功率轉(zhuǎn)換裝置 的輸出側(cè)設(shè)有IPM電機。設(shè)相當(dāng)于IPM電機的有效電感的平均值的每1單位的電感為La、 作為切斷向IPM電機的電流供給的基準(zhǔn)的過負(fù)載電流為i、鉗位電容器的兩端電壓為Vc、鉗 位電容器的電容量為Cc、3相交流電源的線間電壓為Vs，則當(dāng)蓄積在IPM電機所具有的3相
的電感器中的電力全部再生于鉗位電容器中時，滿足下式的關(guān)系式。
[式1]垂la+(^))-會a(W-(V^，) …(1 ) 由此，鉗位電容器的兩端電壓由下式表示。
[式2] K"j^^T^ …(2) 圖IO示出了基于式(2)的、鉗位電容器的兩端電壓相對于電容量的關(guān)系。例如，在 設(shè)電源電壓Vs為400V、電感La為12mH、過負(fù)載電流i為40A、鉗位電容器的電容量為10 y F 時，鉗位電容器的兩端電壓Vc大致為1800V。電壓值超過電源電壓400V級別的晶體管和二 極管的元件額定值1200V。 為了使鉗位電容器的兩端電壓Vc例如處于750V左右以下，根據(jù)式(2)和圖IO，需 要使鉗位電容器的電容量為200iiF以上。 另一方面，鉗位電容器的電容量越大，電源接通時的突入電流越大。例如，作為1 相的串聯(lián)電路，考慮將電源、電抗器、電阻、電容器串聯(lián)連接而成的串聯(lián)電路。設(shè)電抗器的電 感為L、電阻的電阻值為R、鉗位電容器的電容量為C。該串聯(lián)電路中的輸出(電流)相對于 輸入(電源電壓Vs)的傳遞特性由下式表示。
[式3]<formula>formula see original document page 4</formula>
針對步進輸入的響應(yīng)由下式表示。<formula>formula see original document page 4</formula>
這里，設(shè)1/L = D、 R/L = E、1/LC = F，則當(dāng)對式(4)進行逆拉普拉斯變換來求取
電流響應(yīng)時，導(dǎo)出下式。[式5]
"、 D 一 rf …(5)
a;
V4f-￡2 E …(6)
2 2 電容器的電容量C越大，F(xiàn)越小，D、E與電容量C無關(guān)是恒定的，所以，電容器的電 容量C越大，則co越小。因此，電容器的電容量C越大，未考慮因時間引起的衰減的振幅項 D/"越大。S卩，隨著電容器的電容量C的增大，突入電流增大。 另外，根據(jù)式(5)，設(shè)用時間對i(t)進行微分得到的值為0(i(t)'二0)，求出電流
的最大值，導(dǎo)出下式。
[式7] 卜^￡ …(了) 該最大值可以作為突入電流來理解。圖ll示出了突入電流(i((Ji-a)/"))相 對于電容量C的關(guān)系。 如上所述，在為了使再生電流充電后的鉗位電容器的兩端電壓為750V左右以下 而設(shè)鉗位電容器的電容量為200iiF的情況下，根據(jù)式(6)、(7)和圖ll，電流的最大值(突 入電流)達(dá)到150A。 為了降低這種突入電流并同時降低由再生電流充電后的鉗位電容器的兩端電壓， 在非專利文獻1中，針對鉗位電容器設(shè)置了放電電路。更具體而言，放電電路具有與鉗位電 容器并聯(lián)連接的放電電阻。于是，可通過減小鉗位電容器的電容量來降低突入電流，并當(dāng)再 生電流使得鉗位電容器的兩端電壓超過規(guī)定的基準(zhǔn)電壓時，使鉗位電容器中充電的電荷向 放電電阻放電，抑制了該兩端電壓的增大。 另外，專利文獻1 4公開了與本發(fā)明相關(guān)聯(lián)的技術(shù)。 非專利文獻1 :J. Schoenberger， T. Friedli， S. D. Round, J. W. Kolar， "AnUltra
Sparse Matrix Converter with a Novel Active Clamp Circuit. "Proc. ofthe 4th Power
Conversion Conference(PCC' 07) ， p. 784-791 專利文獻1 :美國專利第6995992號說明書 專利文獻2 :日本特開2006-54947號公報 專利文獻3 :日本特開平2-65667號公報 專利文獻4 :日本特公昭62-53918號公報 但是，在非專利文獻1所記載的技術(shù)中，由于對放電電阻施加了與鉗位電容器的 兩端電壓(=基準(zhǔn)電壓)相同程度的電壓，所以，該放電電阻需要基準(zhǔn)電壓X基準(zhǔn)電壓/ 電阻值以上的電力容量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供一種能夠降低放電電阻所需要的電力容量的直接型功率 轉(zhuǎn)換裝置。 本發(fā)明的第1方式的直接型功率轉(zhuǎn)換裝置具有正側(cè)直流電源線(LI);負(fù)側(cè)直流 電源線(L2)，其被施加比施加給所述正側(cè)直流電源線的電位低的電位；輸入電容器(Cr、 Cs、 Ct)，其連接在與多相交流電源相連的多個輸入線的相互之間，作為電壓源發(fā)揮功能；電 流型功率轉(zhuǎn)換器(1)，其將從所述輸入線輸入的多相交流電壓轉(zhuǎn)換為具有2個電位的矩形 波狀的直流電壓，并將所述直流電壓提供給所述正側(cè)直流電源線和所述負(fù)側(cè)直流電源線； 電壓型功率轉(zhuǎn)換器(4)，其將所述正側(cè)直流電源線與所述負(fù)側(cè)直流電源線之間的具有2個 電位的所述直流電壓轉(zhuǎn)換為矩形波狀的交流電壓，并輸出到感性多相負(fù)載(5);第1電容元 件(Cl)，其一端與所述正側(cè)直流電源線連接；第2電容元件(C2)，其與所述第1電容元件的 另一端以及所述負(fù)側(cè)直流電源線連接；第1 二極管元件(Dl)，其位于所述第1電容元件與 所述第2電容元件之間，正極與所述第1電容元件連接，負(fù)極與所述第2電容元件連接；第 2 二極管元件(D2)，其正極連接在所述第2電容元件與所述第1 二極管元件之間，負(fù)極與所 述正側(cè)直流電源線連接；第3二極管元件(D3)，其正極與所述負(fù)側(cè)直流電源線連接，負(fù)極連 接在所述第1電容元件與所述第1 二極管之間；放電電阻(Rl)，其連接在所述正側(cè)直流電 源線與所述負(fù)側(cè)直流電源線之間；以及開關(guān)元件(Sl)，其在所述正側(cè)直流電源線與所述負(fù) 側(cè)直流電源線之間，與所述放電電阻串聯(lián)連接，并且當(dāng)所述第1電容元件或所述第2電容元 件的兩端電壓(Vcl)超過第1規(guī)定值(Vref-h)時，該開關(guān)元件(Sl)導(dǎo)通，當(dāng)?shù)陀诘?規(guī)定 值(Vref-L)時，該開關(guān)元件(Sl)截止。 本發(fā)明的第2方式的直接型功率轉(zhuǎn)換裝置是在第1方式的直接型功率轉(zhuǎn)換裝置 中，所述放電電阻(Rl)的電阻值小于或等于所述第l規(guī)定值(Vref-h)除以流過自身的電 流的最大值而得到的值。 本發(fā)明的第3方式的直接型功率轉(zhuǎn)換裝置是在第1或第2方式的直接型功率轉(zhuǎn)換 裝置中，還具有第3電容元件(C3)，其連接在所述第1 二極管元件(Dl)與所述第2電容元 件(C2)之間；第4二極管元件(D6)，其位于所述第2電容元件與所述第3電容元件之間，正 極與所述第3電容元件連接，負(fù)極與所述第2電容元件和所述第2 二極管元件(D2)連接； 第5 二極管元件(D7)，其正極連接在所述第1 二極管元件與所述第3電容元件之間，負(fù)極與 所述正側(cè)直流電源線連接；以及第6二極管元件(D8)，其正極與所述負(fù)側(cè)直流電源線連接， 負(fù)極連接在所述第4 二極管元件與所述第3電容元件之間。 本發(fā)明的第4方式的直接型功率轉(zhuǎn)換裝置是在第1 第3方式的任一方式的直 接型功率轉(zhuǎn)換裝置中，所述電壓型功率轉(zhuǎn)換裝置、所述開關(guān)元件由PIM(Power Integrated Module :功率集成模塊)構(gòu)成。 根據(jù)本發(fā)明的直接型功率轉(zhuǎn)換裝置的第1方式，第1電容元件和第2電容元件被 來自感性多相負(fù)載的再生電流充電。此時，通過第1 二極管元件 第3 二極管元件的整流功 能，使得第1電容元件和第2電容元件在彼此串聯(lián)的狀態(tài)下進行充電(參照圖3)。第1電 容元件和第2電容元件對正側(cè)直流電源線與負(fù)側(cè)直流電源線之間的電壓進行分壓，所以， 能夠降低第1電容元件和第2電容元件的耐壓。 而且，當(dāng)?shù)趌電容元件或第2電容元件的兩端電壓超過第1規(guī)定值時，開關(guān)元件導(dǎo)通。此時，通過第1 二極管元件 第3 二極管元件的整流功能，使得第1電容元件和第2電 容元件在彼此并聯(lián)的狀態(tài)下向放電電阻放電(參照圖4)。這樣，由于能夠使第1電容元件 和第2電容元件進行放電，所以，能夠抑制由再生電流引起的第1電容元件的兩端電壓和第 2電容元件的兩端電壓的增大。 并且，能夠?qū)Ψ烹婋娮枋┘拥?電容元件和第2電容元件的一組的兩端電壓，與在 正側(cè)直流電源線和負(fù)側(cè)直流電源線之間設(shè)置一個鉗位電容器的方式相比，能夠降低放電電 阻所需要的電力容量。 根據(jù)本發(fā)明的直接型功率轉(zhuǎn)換裝置的第2方式，開關(guān)元件導(dǎo)通且在放電電阻中流 過最大電流時的放電電阻的兩端電壓小于第1規(guī)定值。該兩端電壓與第1電容元件和第2 電容元件的兩端電壓相等。由此，即使在該兩端電壓為最大(在放電電阻中流過最大電流) 的情況下，也能夠防止開關(guān)元件長時間導(dǎo)通，進而，能夠降低開關(guān)元件的額定時間。
根據(jù)本發(fā)明的直接型功率轉(zhuǎn)換裝置的第3方式，當(dāng)開關(guān)元件導(dǎo)通時，通過第1 二極 管元件 第6 二極管元件的整流功能，使得第1電容元件 第3電容元件在彼此并聯(lián)的狀 態(tài)下向放電電阻放電。由此，與第1電容元件 第3電容元件在彼此串聯(lián)的狀態(tài)下進行放 電的情況相比，能夠進一步降低放電電阻的電力容量。 根據(jù)本發(fā)明的直接型功率轉(zhuǎn)換裝置的第4方式，能夠一體地制造電壓型功率轉(zhuǎn)換
裝置和開關(guān)元件，且廣泛應(yīng)用于間接型交流功率轉(zhuǎn)換裝置，所以，能夠構(gòu)成小型且廉價的直 接型功率轉(zhuǎn)換裝置。 通過以下的詳細(xì)說明和附圖，本發(fā)明的目的、特征、形式以及優(yōu)點變得更加清楚。


圖1是電機驅(qū)動裝置的概念結(jié)構(gòu)圖。
圖2是用于向制動電路所具有的晶體管輸出開關(guān)信號的電路的概念結(jié)構(gòu)圖。
圖3是示出對鉗位電容器進行充電的狀態(tài)的圖。
圖4是示出鉗位電容器放電的狀態(tài)的圖。 圖5是示出第1實施方式的電機驅(qū)動裝置中的流過電機所具有的線圈的電流、流 過直流電源線的電流、一個鉗位電容器的兩端電壓、2個鉗位電容器的一組的兩端電壓、直 流電源線之間的電壓、以及流過放電電阻(晶體管)的電流的曲線圖。 圖6是示出第2實施方式的電機驅(qū)動裝置中的流過電機所具有的線圈的電流、流 過直流電源線的電流、一個鉗位電容器的兩端電壓、2個鉗位電容器的一組的兩端電壓、直 流電源線之間的電壓、以及流過放電電阻(晶體管)的電流的曲線圖。 圖7是示出第2實施方式的電機驅(qū)動裝置中的流過電機所具有的線圈的電流、流
過直流電源線的電流、一個鉗位電容器的兩端電壓、2個鉗位電容器的一組的兩端電壓、直
流電源線之間的電壓、以及流過放電電阻(晶體管)的電流的曲線圖。 圖8是第3實施方式的電機驅(qū)動裝置所具有的鉗位電路的概念結(jié)構(gòu)圖。 圖9是示出非專利文獻1的功率轉(zhuǎn)換裝置的圖。 圖IO是示出鉗位電容器的電容量與鉗位電容器的兩端電壓之間的關(guān)系的曲線 圖。 圖ll是示出鉗位電容器的電容量與鉗位電容器的突入電流之間的關(guān)系的曲線
7圖。
具體實施例方式
第1實施方式 圖1示出了作為本發(fā)明的第1實施方式的直接型功率轉(zhuǎn)換裝置的一例的電機驅(qū)動 裝置的概念結(jié)構(gòu)圖。本電機驅(qū)動裝置具有電源E1 ;輸入線ACLr、 ACLs、 ACLt ;電抗器Lr、 Ls、Lt ;電容器Cr、Cs、Ct ;電流型轉(zhuǎn)換器1 ;直流電源線L1、L2 ;鉗位電路2 ;制動電路3 ;電
壓型逆變器4;以及電機5。 電源E1是多相交流電源，例如為3相交流電源，其向輸入線ACLr、ACLs、ACLt供給 3相交流電流。 電抗器Lr、Ls、Lt分別被設(shè)置在輸入線ACLr、 ACLs、 ACLt上。 電容器Cr、Cs、Ct分別被連接在輸入線ACLr、ACLs、ACLt彼此之間。更具體而言，
它們的一端分別與位于電源E1相反側(cè)的電抗器Lr、 Ls、 Lt連接，另一端彼此連接在一起。
這些電容器Cr、 Cs、 Ct被設(shè)置在電流型轉(zhuǎn)換器1的輸入側(cè)，作為電壓源發(fā)揮功能。電容器
Cr、 Cs、 Ct分別與電抗器Lr、 Ls、 Lt 一起構(gòu)成抑制開關(guān)電流的LC濾波器。 電流型轉(zhuǎn)換器1經(jīng)由LC濾波器與電源E1連接，將從輸入線ACLr、ACLs、ACLt輸入
的多相交流電壓轉(zhuǎn)換為具有2個電位的矩形波狀的直流電壓，并將該直流電壓供給到直流
電源線Ll、 L2之間(參照后述的圖5 7的直流電源線Ll、 L2之間的電壓波形)。 更具體而言，電流型轉(zhuǎn)換器1具有晶體管Srp、Srn、Ssp、Ssn、Stp、Stn以及二極管
Drp、 Drn、 Dsp、 Dsn、 Dtp、 Dtn。 二極管Drp、 Dsp、 Dtp的各負(fù)極分別與直流電源線Ll連接。二極管Drn、 Dsn、 Dtn 的各正極分別與直流電源線L2連接。 晶體管Srp、 Ssp、 Stp的各發(fā)射極分別與二極管Drp、 Dsp、 Dtp的正極連接。晶體 管Srn、 Ssn、 Stn的各集電極分別與二極管Drn、 Dsn、 Dtn的負(fù)極連接。晶體管Srp的集電 極與晶體管Srn的發(fā)射極、晶體管Ssp的集電極與晶體管Ssn的發(fā)射極、晶體管Stp的集電 極與晶體管Stn的發(fā)射極彼此相連，且分別與輸入線ACLr、ACLs、ACLt連接。
而且，通過未圖示的控制部等，對這些晶體管Srp、 Srn、 Ssp、 Ssn、 Stp、 Stn各自的 基極賦予開關(guān)信號，電流型轉(zhuǎn)換器1將3相交流電壓轉(zhuǎn)換為具有2個電位的矩形波狀的直 流電壓。另外，直流電源線L1可以作為正側(cè)直流電源線來理解，直流電源線L2可以作為被 施加了比施加給直流電源線Ll的電位低的電位的負(fù)側(cè)直流電源線來理解。
鉗位電路2至少具有2個鉗位電容器。這2個鉗位電容器在相互串聯(lián)的狀態(tài)下被 充電，以使電壓大于矩形波狀電壓的高電位，而在相互并聯(lián)的狀態(tài)下進行放電，以使電壓低 于矩形波狀電壓的低電位。這樣，鉗位電路的作用如下在穩(wěn)定狀態(tài)下，通過上述充放電動 作，使得當(dāng)放電電流大于充電電流時保持電壓平衡。更具體而言，鉗位電路2具有鉗位電容 器C1、C2和二極管D1 D3。 鉗位電容器Cl的一端與直流電源線Ll連接。鉗位電容器C2與鉗位電容器Cl的 另一端和直流電源線L2連接。即，鉗位電容器C1、C2彼此串聯(lián)地連接在直流電源線L1、L2 之間。 二極管Dl位于鉗位電容器C1、C2之間，其正極與鉗位電容器Cl連接，負(fù)極與鉗位電容器C2連接。二極管D2的正極連接在鉗位電容器C2與二極管Dl之間，負(fù)極與直流電 源線Ll連接。二極管D3的正極與直流電源線L2連接，負(fù)極連接在鉗位電容器Cl與二極 管D1之間。 制動電路3具有放電電阻R1、晶體管Sl以及二極管D4、 D5。放電電阻R1連接在 直流電源線L1、L2之間。晶體管S1與放電電阻R1串聯(lián)連接。二極管D4的正極連接在放 電電阻R1與晶體管Sl之間，負(fù)極與直流電源線Ll連接。二極管D5的正極與晶體管Sl的 發(fā)射極連接，負(fù)極與晶體管S1的集電極連接。 晶體管S1在鉗位電容器C1、 C2的兩端電壓中的至少某一方超過規(guī)定值時導(dǎo)通。 例如圖2示出了向晶體管Sl輸出開關(guān)信號的電路的一例。差動放大器6的非反轉(zhuǎn)輸入端 子被施加了鉗位電容器C2的兩端電壓Vcl，反轉(zhuǎn)輸入端子被施加了作為規(guī)定值的基準(zhǔn)的基 準(zhǔn)電壓Vref (這里未作圖示，基于基準(zhǔn)電壓，差動放大器具有基準(zhǔn)電壓Vref-h、Vref-L的磁 滯特性。)。而且，將差動放大器6的輸出作為開關(guān)信號被輸入到晶體管S1的基極。
放電電阻R1的電阻值rl小于這樣的值，該值是用對基準(zhǔn)電壓Vref-h乘以鉗位電 容器C1、 C2的個數(shù)后的值除以流過放電電阻R1的電流的最大值Imax而得到的。S卩，滿足 rl < 2 Vref-h/Imax(以下稱為式(8))。這點將在后面進行詳細(xì)敘述。
電壓型逆變器4將直流電源線Ll、 L2之間的具有2個電位的矩形波狀的直流電 壓轉(zhuǎn)換為矩形波狀的交流電壓，并輸出到電機5。更具體而言，電壓型逆變器4具有晶體管 Sup、 Sun、 Svp、 Svn、 Swp、 Swn以及二極管Dup、 Dun、 Dvp、 Dvn、 Dwp、 Dwn。
晶體管Sup、 Svp、 Swp的各集電極和二極管Dup、 Dvp、 Dwp的各負(fù)極分別與直流電 源線Ll連接，晶體管S皿、Svn、 Swn的各發(fā)射極和二極管D皿、Dvn、 Dwn的各正極分別與直 流電源線L2連接。 晶體管Sup的發(fā)射極、晶體管S皿的集電極、二極管Dup的正極和二極管Dun的負(fù) 極共同與電機5連接，晶體管Svp的發(fā)射極、晶體管Svn的集電極、二極管Dvp的正極和二 極管Dvn的負(fù)極共同與電機5連接，晶體管Swp的發(fā)射極、晶體管Swn的集電極、二極管Dwp 的正極和二極管Dwn的負(fù)極共同與電機5連接。 而且，通過未圖示的控制部等，對這些晶體管Sup、 Sun、 Svp、 Svn、 Swp、 Swn各自的 基極賦予開關(guān)信號，電壓型逆變器4將直流電源線Ll、 L2之間的具有2個電位的矩形波狀 的直流電壓轉(zhuǎn)換為矩形波狀的交流電壓，并輸出到電機5。 電機5例如是3相交流電機，其電感部分和電阻部分分別由線圈Lu、Lv、Lw和電阻 Ru、Rv、Rw表示。線圈Lu、Lv、Lw分別與電阻Ru、Rv、Rw串聯(lián)連接。線圈Lu、 Lv、 Lw的與電 阻Ru、 Rv、 Rw相反側(cè)的一端分別連接在晶體管Sup和S皿之間、晶體管Svp和Svn之間、以 及晶體管Swp和Swn之間。電阻Ru、 Rv、 Rw的與線圈Lu、 Lv、 Lw相反側(cè)的一端共同連接到 中性點P。 從電壓型逆變器4對電機5提供矩形波狀的交流電壓。電機5所具有的電感部分 使得驅(qū)動電機5的交流電流平滑。換言之，電機5將從電壓型逆變器4提供的矩形波狀的 交流電壓轉(zhuǎn)換為交流電流。 流過該電機5的交流電流經(jīng)由電壓型逆變器4、電流型轉(zhuǎn)換器1而向電容器Cr、 Cs、Ct進行充電，被轉(zhuǎn)換為交流電壓。換言之，電機5可以作為針對電流型轉(zhuǎn)換器1的電流 源來理解。
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根據(jù)這種結(jié)構(gòu)的電機驅(qū)動裝置中的鉗位電路2，在由于電壓型逆變器4側(cè)的負(fù)載 功率因數(shù)而使流過電機5的電流相對于直流電源線Ll、 L2之間的電壓發(fā)生滯后的情況下， 在規(guī)定期間中，從電機5向直流電源線Ll 、L2流入回流電流，鉗位電容器Cl 、C2在彼此串聯(lián) 的狀態(tài)下進行充電。此時的充電電壓(鉗位電容器C1、C2的一組的兩端電壓)也由負(fù)載功 率因數(shù)決定。另一方面，當(dāng)鉗位電容器Cl、 C2各自的兩端電壓上升到高于直流電源線Ll、 L2之間的矩形波狀電壓中低的一方的電壓時，鉗位電容器C1、C2在彼此并聯(lián)的狀態(tài)下進行 放電。另外，由于鉗位電容器Cl、 C2是在彼此串聯(lián)的狀態(tài)下充電而在彼此并聯(lián)的狀態(tài)下放 電，所以，放電電壓是充電電壓的1/2。 通過這種充放電動作，在放電電流比充電電流大的情況下，使得鉗位電容器Cl 、C2 的電壓平衡。 如上所述，能夠充入來自電機5的回流電流，并能夠通過放電將其重新提供給電 機5，因此能夠高效地驅(qū)動電機5。并且，鉗位電路2不需要開關(guān)元件等所謂的有源元件，所 以能夠降低功耗和制造成本。 并且，在流向電機5的工作電流減少(電機5減速)或停止向電機5供給工作電 流的情況下，將來自電機5的再生電流供給到鉗位電容器C1、C2。此時，鉗位電容器C1、C2 也將在彼此串聯(lián)的狀態(tài)下進行充電。圖3示出了流過再生電流時對鉗位電容器C1、C2進行 充電的狀態(tài)。鉗位電容器C1、C2對直流電源線L1、L2之間的電壓進行分壓，所以，能夠降低 鉗位電容器C1、C2的耐壓。 另外，如上所述，當(dāng)鉗位電容器Cl、 C2各自的兩端電壓上升到高于矩形波狀電壓 的低電位時，鉗位電容器C1、 C2例如向電機5側(cè)放電。此時，鉗位電容器C1、 C2因二極管 Dl D3的整流功能而在彼此并聯(lián)的狀態(tài)下進行放電。 以下，具體說明例如在向電機5供給的工作電流超過規(guī)定值的情況下，為了對電 機5進行過負(fù)載保護而停止電壓型逆變器4的工作從而停止向電機5供給電流時的狀況。
作為具體的動作例，說明電源El的電源電壓Vs = 400V、再生電流最大值Imax = 40A、放電電阻R1的電阻值rl為15Q、基準(zhǔn)電壓Vref-h為400V時的情況。另外，它們滿足 式(8)。圖4示出了鉗位電容器C1、C2放電時的狀態(tài)。圖5示出了流過線圈Lu、Lv、Lw的 電流、流過直流電源線L1、L2的電流、鉗位電容器C2的兩端電壓、鉗位電容器C1、C2各自的 兩端電壓之和、直流電源線L1、L2之間的電壓、以及流過放電電阻R1(晶體管S1)的電流。
例如在通過停止電源E1的供給來停止向電機5的電流供給的情況下(參照圖5 中的時刻70ms)，來自電機5的再生電流流過直流電源線Ll、 L2(參照圖5)，該再生電流被 供給到鉗位電容器C1、C2。此時，鉗位電容器C1、C2在彼此串聯(lián)的狀態(tài)下被充電，鉗位電容 器Cl 、 C2各自的兩端電壓上升(參照圖3、圖5)。 然后，例如當(dāng)鉗位電容器C2的兩端電壓Vcl超過基準(zhǔn)電壓Vref-h時，晶體管Sl 導(dǎo)通。另外，將基準(zhǔn)電壓Vref-h(400V)設(shè)定為大于驅(qū)動電機5時的鉗位電容器C2的兩端 電壓Vcl(350V左右)的值。而且，在該晶體管S1導(dǎo)通時，鉗位電容器C1、 C2不進行放電， 再生電流全部流入制動電路3。下面進行具體的說明。另外，為了便于說明，忽略晶體管S1 的電壓降來進行說明。 通過對放電電阻R1的電阻值rl中乘以再生電流來求出因再生電流流過放電電阻 Rl而使放電電阻Rl產(chǎn)生的電壓降Vrl。設(shè)在晶體管Sl最初導(dǎo)通的時點再生電流與Imax大致相同，則<formula>formula see original document page 11</formula>
另一方面，鉗位電容器Cl 、C2各自的兩端電壓為400V (與基準(zhǔn)電壓Vref-h相同)。 鉗位電容器C1、 C2各自的兩端電壓之和為800V，在放電電阻R1中流過全部再生電流時的 電壓降Vrl為600V，因此，再生電流與放電電阻Rl之間的關(guān)系處支配性的地位。更具體而 言，再生電流不流過鉗位電容器C1、C2，而是流入放電電阻Rl。換言之，由于電阻值rl滿足 式(8)，所以，能夠防止再生電流向鉗位電容器Cl 、 C2進行充電。 并且，當(dāng)鉗位電容器Cl、 C2在彼此并聯(lián)的狀態(tài)下而要進行放電時，由于鉗位電容 器Cl 、 C2各自的兩端電壓(=基準(zhǔn)電壓)小于放電電阻Rl的電壓降Vr 1 ，所以，鉗位電容 器C1、C2不放電。 然后，隨著再生電流的降低，電壓降Vrl減小(參照圖5中的直流電源線L1、L2之 間的電壓)，當(dāng)電壓降Vr 1低于鉗位電容器Cl 、C2各自的兩端電壓時，鉗位電容器Cl 、C2開 始向放電電阻R1放電(參照圖4、圖5)。 然后，當(dāng)鉗位電容器C2的兩端電壓Vcl低于基準(zhǔn)電壓Vref-L時，晶體管SI不導(dǎo)
通，再生電流流入鉗位電容器Cl、 C2而對它們進行充電，當(dāng)鉗位電容器C2的兩端電壓Vcl
重新超過基準(zhǔn)電壓Vref-h時，晶體管SI導(dǎo)通，鉗位電容器Cl、 C2放電。 如上所述，能夠防止因再生電流導(dǎo)致鉗位電容器C1、 C2的兩端電壓上升，同時能
夠消耗再生電流的再生能量。 并且，如果采用在直流電源線之間設(shè)置一個鉗位電容器的方式，則當(dāng)晶體管SI導(dǎo) 通時，在放電電阻R1上施加了與直流電源線L1、L2之間的電壓(=一個鉗位電容器的兩端 電壓，在上述條件下為800V)相同的電壓。另一方面，根據(jù)本電機驅(qū)動裝置，如上所述，放電 電阻Rl上的電壓降Vrl低于該電壓(例如800V)。因此，在相同電阻值下，能夠降低放電電
阻R1所需要的電力容量。
第2實施方式 本發(fā)明的第2實施方式的電機驅(qū)動裝置的概念結(jié)構(gòu)圖與圖1相同。在本電機驅(qū)動 裝置中，由于在鉗位電容器C2的兩端電壓Vcl超過基準(zhǔn)電壓Vref-h的期間，晶體管Sl持 續(xù)導(dǎo)通，所以，該期間越長，晶體管Sl所需要的額定時間越大。因此，在該第2實施方式的 電機驅(qū)動裝置中，通過降低電流持續(xù)流過晶體管S1的期間，來降低晶體管S1所需要的額定 時間。 放電電阻R1的電阻值rl小于或等于基準(zhǔn)電壓Vref-h除以流過放電電阻R1的電 流的最大值Imax而得到的值。S卩，滿足rl《Vref-h/Imax(以下稱為式(9))。
圖6示出了例如在通過停止電壓型逆變器4的工作來停止向電機5供給電流時， 流過線圈Lu、Lv、Lw的電流、流過直流電源線L1、L2的電流、鉗位電容器C2的兩端電壓、鉗 位電容器Cl、 C2各自的兩端電壓之和、直流電源線Ll、 L2之間的電壓、以及流過放電電阻 R1(晶體管S1)的電流。 另夕卜，圖6示出了電源El的電源電壓Vs為400V、再生電流最大值Imax為40A、放 電電阻R1的電阻值rl為10Q、基準(zhǔn)電壓Vref-h為400V時的結(jié)果，它們滿足式(9)。
與圖5進行比較說明。在圖5中，電阻值rl為15Q，再生電流最大值Imax為40A， 所以，晶體管Sl最初導(dǎo)通時的放電電阻Rl上的電壓降Vrl為600V，大于基準(zhǔn)電壓Vref-h 的400V(鉗位電容器C1、C2各自的兩端電壓)。因此，在電壓降Vrl低于鉗位電容器C1、C2各自的兩端電壓之前，鉗位電容器Cl、 C2不放電，晶體管Sl長時間持續(xù)導(dǎo)通。 在該第2實施方式中，在晶體管Sl最初導(dǎo)通的時點，由再生電流引起的放電電阻
Rl上的電壓降Vrl為400V( = 10Q X40A)，與鉗位電容器C1、C2各自的兩端電壓相同。該
電壓下降Vrl隨再生電流的降低而降低，所以，在晶體管Sl最初導(dǎo)通之后，該電壓下降Vrl
立刻就會低于鉗位電容器C1、C2的兩端電壓。由此，鉗位電容器C1、C2開始向放電電阻Rl
放電。然后，與第1實施方式同樣，例如根據(jù)鉗位電容器C2的兩端電壓Vcl，晶體管Sl反復(fù)
導(dǎo)通/不導(dǎo)通。 如上所述，放電電阻R1的電阻值rl小于或等于基準(zhǔn)電壓Vref-h除以再生電流最 大值Imax而得到的值，所以，在晶體管Sl導(dǎo)通之后，鉗位電容器C1、 C2立即開始放電，由 此，能夠降低晶體管Sl持續(xù)導(dǎo)通的期間。 并且，由于放電電阻R1的電壓降Vrl小于或等于基準(zhǔn)電壓Vref-h，所以，能夠進一 步降低放電電阻R1所需的電力容量。 圖7示出了電源E1的電源電壓Vs為400V、再生電流最大值Imax為40A、放電電 阻Rl的電阻值rl為5 Q 、基準(zhǔn)電壓Vref-h為400V時的結(jié)果，它們滿足式(9)。
例如在時刻70ms，來自電機5的再生電流被供給到鉗位電容器C1、C2，鉗位電容器 C1、C2的兩端電壓上升(參照圖7)。然后，例如當(dāng)鉗位電容器C2的兩端電壓Vcl超過基準(zhǔn) 電壓Vref-h時，晶體管Sl導(dǎo)通。 此時，僅由再生電流Imax引起的放電電阻Rl的電壓降Vr 1為200V ( = 5 Q X 40A)， 所以，該電壓降Vrl小于鉗位電容器Cl的兩端電壓Vcl (=基準(zhǔn)電壓Vref-h = 400V)。該 情況下，流過放電電阻Rl的電流值由鉗位電容器Cl、 C2各自的兩端電壓與電阻值rl之間 的關(guān)系決定。換言之，鉗位電容器C1、C2開始向放電電阻R1放電。由于該鉗位電容器C1、 C2的放電而在放電電阻R1中流過再生電流和來自鉗位電容器C1、 C2的放電電流。另夕卜， 此時流過放電電阻Rl的電流是將鉗位電容器C1、C2各自的兩端電壓除以電阻值rl而得到 的值(=基準(zhǔn)電壓Vref-h/電阻值rl)。 然后，當(dāng)鉗位電容器C1、C2的兩端電壓降低而低于基準(zhǔn)電壓Vref-L時，晶體管Sl
不導(dǎo)通，再生電流流入鉗位電容器Cl、 C2而對它們進行充電，當(dāng)鉗位電容器C2的兩端電壓
Vcl再次超過基準(zhǔn)電壓Vref-h時，晶體管Sl導(dǎo)通，鉗位電容器Cl、 C2進行放電。 如上所述，能夠與晶體管S1的導(dǎo)通大致同時地使鉗位電容器C1、 C2進行放電，所
以，能夠降低晶體管Sl持續(xù)導(dǎo)通的期間，由此，能夠降低晶體管Sl的額定時間。 另外，施加給放電電阻R1的電壓(電壓降Vrl)與鉗位電容器C1、 C2的兩端電壓
(基準(zhǔn)電壓Vref-h)大致相同且是恒定的，所以，電阻值rl越小，由放電電阻Rl產(chǎn)生的損失
越大。因此，希望電阻值rl盡可能大。S卩，優(yōu)選電阻值rl為將基準(zhǔn)電壓Vref-h除以流過
放電電阻R1的電流的最大值而得到的值。 第3實施方式 第3實施方式的電機驅(qū)動裝置的概念結(jié)構(gòu)圖除了鉗位電路2以外均與圖l相同。 圖8是第3實施方式的電機驅(qū)動裝置所具有的鉗位電路2的概念結(jié)構(gòu)圖。
鉗位電路2與圖1所示的鉗位電路2相比，還具有鉗位電容器C3和二極管D6 D8。鉗位電容器C3連接在二極管D1與鉗位電容器C2之間。二極管D6處于鉗位電容器 C2、 C3之間，其正極與鉗位電容器C3連接，負(fù)極與鉗位電容器C2和二極管D2連接。二極管D7的正極連接在二極管Dl與鉗位電容器C3之間，負(fù)極與直流電源線Ll連接。二極管
D8的正極與直流電源線L2連接，負(fù)極連接在二極管D6與鉗位電容器C3之間。根據(jù)這種結(jié)構(gòu)的鉗位電路2，通過二極管Dl D3、D6 D8的整流功能，鉗位電容
器C1 C3在彼此串聯(lián)的狀態(tài)下進行充電，而在彼此并聯(lián)的狀態(tài)下進行放電。 由此，利用鉗位電容器C1 C3對直流電源線L1、 L2之間的電壓進行分壓，所以，
能夠進一步降低對各鉗位電容器Cl C3施加的電壓。進而還能夠降低基準(zhǔn)電壓Vref-h。 并且，通過將放電電阻Rl的電阻值rl設(shè)定為小于或等于基準(zhǔn)電壓Vref-h除以流
過放電電阻R1的電流的最大值Imax而得到的值，能夠進一步降低放電電阻Rl所需要的電
力容量(=基準(zhǔn)電壓Vref-hX基準(zhǔn)電壓Vref-h/電阻值rl)。這是因為能夠進一步降低基
準(zhǔn)電壓Vref-h。 另外，在第1 第3實施方式所述的電機驅(qū)動裝置中，制動電路3、電壓型逆變器4 也可以由P頂(Power Integrated Module :功率集成模塊)模塊構(gòu)成。該情況下，可以一體 地制造制動電路3和電壓型逆變器4，廣泛應(yīng)用于間接型交流功率轉(zhuǎn)換裝置，所以，能夠構(gòu) 成小型且廉價的電機驅(qū)動裝置。 已經(jīng)對本發(fā)明進行了詳細(xì)說明，但是，上述說明在任何方面均只是例示性的，本發(fā) 明不限于此?？梢岳斫猓軌蛟诓幻撾x本發(fā)明的范圍內(nèi)設(shè)想到未例示的大量變形例。
權(quán)利要求
一種直接型功率轉(zhuǎn)換裝置，該直接型功率轉(zhuǎn)換裝置具有正側(cè)直流電源線(L1)；負(fù)側(cè)直流電源線(L2)，其被施加比施加給所述正側(cè)直流電源線的電位低的電位；輸入電容器(Cr、Cs、Ct)，其連接在與多相交流電源相連的多個輸入線的相互之間，作為電壓源發(fā)揮功能；電流型功率轉(zhuǎn)換器(1)，其將從所述輸入線輸入的多相交流電壓轉(zhuǎn)換為具有2個電位的矩形波狀的直流電壓，并將所述直流電壓提供給所述正側(cè)直流電源線和所述負(fù)側(cè)直流電源線；電壓型功率轉(zhuǎn)換器(4)，其將所述正側(cè)直流電源線與所述負(fù)側(cè)直流電源線之間的具有2個電位的所述直流電壓轉(zhuǎn)換為矩形波狀的交流電壓，并輸出到感性多相負(fù)載(5)；第1電容元件(C1)，其一端與所述正側(cè)直流電源線連接；第2電容元件(C2)，其與所述第1電容元件的另一端以及所述負(fù)側(cè)直流電源線連接；第1二極管元件(D1)，其位于所述第1電容元件與所述第2電容元件之間，正極與所述第1電容元件連接，負(fù)極與所述第2電容元件連接；第2二極管元件(D2)，其正極連接在所述第2電容元件與所述第1二極管元件之間，負(fù)極與所述正側(cè)直流電源線連接；第3二極管元件(D3)，其正極與所述負(fù)側(cè)直流電源線連接，負(fù)極連接在所述第1電容元件與所述第1二極管之間；放電電阻(R1)，其連接在所述正側(cè)直流電源線與所述負(fù)側(cè)直流電源線之間；以及開關(guān)元件(S1)，其在所述正側(cè)直流電源線與所述負(fù)側(cè)直流電源線之間，與所述放電電阻串聯(lián)連接，并且當(dāng)所述第1電容元件或所述第2電容元件的兩端電壓(Vc1)超過第1規(guī)定值(Vref-h)時，該開關(guān)元件(S1)導(dǎo)通，當(dāng)?shù)陀诘?規(guī)定值(Vref-L)時，該開關(guān)元件(S1)截止。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的直接型功率轉(zhuǎn)換裝置，其中，所述放電電阻(Rl)的電阻值小于或等于所述第l規(guī)定值(Vref-h)除以流過自身的電 流的最大值而得到的值。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的直接型功率轉(zhuǎn)換裝置，其中，該直接型功率轉(zhuǎn)換裝置還具有 第3電容元件(C3)，其連接在所述第1 二極管元件(Dl)與所述第2電容元件(C2)之間；第4二極管元件(D6)，其位于所述第2電容元件與所述第3電容元件之間，正極與所述 第3電容元件連接，負(fù)極與所述第2電容元件和所述第2 二極管元件(D2)連接；第5 二極管元件(D7)，其正極連接在所述第1 二極管元件與所述第3電容元件之間，負(fù) 極與所述正側(cè)直流電源線連接；以及第6 二極管元件(D8)，其正極與所述負(fù)側(cè)直流電源線連接，負(fù)極連接在所述第4 二極管 元件與所述第3電容元件之間。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的直接型功率轉(zhuǎn)換裝置，其中，該直接型功率轉(zhuǎn)換裝置還具有 第3電容元件(C3)，其連接在所述第1 二極管元件(Dl)與所述第2電容元件(C2)之間；第4二極管元件(D6)，其位于所述第2電容元件與所述第3電容元件之間，正極與所述第3電容元件連接，負(fù)極與所述第2電容元件和所述第2 二極管元件(D2)連接；第5 二極管元件(D7)，其正極連接在所述第1 二極管元件與所述第3電容元件之間，負(fù)極與所述正側(cè)直流電源線連接；以及第6 二極管元件(D8)，其正極與所述負(fù)側(cè)直流電源線連接，負(fù)極連接在所述第4 二極管元件與所述第3電容元件之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求1 4中的任一項所述的直接型功率轉(zhuǎn)換裝置，其中， 所述電壓型功率轉(zhuǎn)換裝置(4)、所述開關(guān)元件(Sl)由功率集成模塊構(gòu)成。
全文摘要
本發(fā)明提供直接型功率轉(zhuǎn)換裝置，其能夠降低放電電阻所需要的電力容量。晶體管(S1)例如在第2鉗位電容器(C2)的兩端電壓超過規(guī)定的基準(zhǔn)電壓時導(dǎo)通。放電電阻(R1)的電阻值小于基準(zhǔn)電壓除以流過放電電阻(R1)的電流的最大值而得到的值。當(dāng)?shù)?鉗位電容器(C2)的兩端電壓(Vc1)超過規(guī)定的基準(zhǔn)電壓而使得晶體管(S1)導(dǎo)通時，由再生電流引起的施加給放電電阻(R1)的電壓為第2鉗位電容器(C2)的兩端電壓(Vc1)和因再生電流產(chǎn)生的放電電阻(R1)的電壓降中的較大的一方。該電壓降和兩端電壓(Vc1)小于直流電源線(L1、L2)之間的電壓，所以，能夠降低放電電阻(R1)的電力容量。
文檔編號H02M7/48GK101772882SQ20088010193
公開日2010年7月7日 申請日期2008年8月6日 優(yōu)先權(quán)日2007年8月7日
發(fā)明者榊原憲一 申請人:大金工業(yè)株式會社