电力转换装置、马达驱动单元以及电动助力转向装置的制作方法

本发明涉及对提供给电动马达的电力进行转换的电力转换装置、马达驱动单元以及电动助力转向装置。

背景技术：

无刷dc马达和交流同步马达等电动马达(以下，简记为“马达”)一般是通过三相电流来驱动的。使用矢量控制等复杂的控制技术，以准确地控制三相电流的波形。在这种控制技术中，需要高度的数学运算，使用微控制器(微型计算机)等数字运算电路。矢量控制技术被活用于马达的负载变动较大的用途，例如洗衣机、电动助力自行车、电动小型摩托车、电动助力转向装置、电动汽车、工业设备等领域。另一方面，在输出相对较小的马达中采用脉冲宽度调制(pwm)方式等其他的马达控制方式。

在车载领域内，在车辆中使用汽车用电子控制单元(ecu：electricalcontorlunit)。ecu具有微控制器、电源、输入输出电路、ad转换器、负载驱动电路以及rom(readonlymemory：只读存储器)等。以ecu为核心而构建了电子控制系统。例如，ecu对来自传感器的信号进行处理以控制马达等致动器。具体说明的话，ecu一边监视马达的转速和扭矩，一边控制电力转换装置中的逆变器。在ecu的控制下，电力转换装置对提供给马达的驱动电力进行转换。

近年来，开发了将马达、电力转换装置以及ecu一体化的机电一体式马达。特别是在车载领域内，从安全性的观点考虑，要求保证高质量。因此，引入了即使在部件的一部分发生故障时也能够继续安全工作的冗余设计。作为冗余设计的一例，研究了针对一个马达而设置两个电力转换装置。作为另一例，研究了对主微控制器设置备用微控制器。

例如专利文献1公开了以下电力转换装置：其具有控制部和两个逆变器，对提供给三相马达的电力进行转换。两个逆变器分别与电源和地(以下，记作“gnd”)连接。一个逆变器与马达的三相的绕组的一端连接，另一个逆变器与三相的绕组的另一端连接。各逆变器具有由三个支路构成的桥电路，该三个支路分别包含高端开关元件和低端开关元件。控制部在检测到两个逆变器中的开关元件的故障的情况下，将马达控制从正常时的控制切换为异常时的控制。在本申请说明书中，“异常”主要是指开关元件的故障。此外，“正常时的控制”是指全部开关元件处于正常的状态下的控制，“异常时的控制”是指某个开关元件发生了故障的状态下的控制。

在异常时的控制中，在两个逆变器中的包含发生了故障的开关元件的逆变器(以下，记作“故障逆变器”)中，使开关元件按照规定的规则导通或者截止，由此构成了绕组的中性点。根据该规则，例如，在发生了高端开关元件始终截止的开路故障的情况下，在逆变器的桥电路中，使三个高端开关元件中的发生了故障的开关元件以外的开关元件截止，并且使三个低端开关元件导通。在该情况下，在低端侧构成了中性点。或者，在发生了高端开关元件始终导通的短路故障的情况下，在逆变器的桥电路中，使三个高端开关元件中的发生了故障的开关元件以外的开关元件导通，并且使三个低端开关元件截止。在该情况下，在高端侧构成了中性点。根据专利文献1的电力转换装置，在异常时，在故障逆变器中构成了三相绕组的中性点。即使开关元件发生故障，也能够使用正常的一方的逆变器来继续驱动马达。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2014-192950号公报

技术实现要素：

发明要解决的课题

在上述的现有技术中，期望进一步提高正常时和异常时的电流控制。

本发明的实施方式提供无论在正常时还是异常时都能够进行适当的电流控制的电力转换装置。

用于解决课题的手段

本发明的例示的电力转换装置将来自电源的电力转换为提供给具有n相(n是3以上的整数)的绕组的马达的电力，其中，所述电力转换装置具有：第1逆变器，其与所述马达的各相的绕组的一端连接；第2逆变器，其与所述各相的绕组的另一端连接；第1切换电路，其具有对所述第1逆变器与所述电源之间的连接和非连接进行切换的第1开关元件以及对所述第1逆变器与地之间的连接和非连接进行切换的第2开关元件；以及第2切换电路，其具有对所述第2逆变器与所述电源之间的连接和非连接进行切换的第3开关元件或者对所述第2逆变器与所述地之间的连接和非连接进行切换的第4开关元件，所述电力转换装置具有如下模式：正常时动作模式，在该模式下，使用所述第1逆变器和在所述第2逆变器中构成的所述各相的绕组的第1中性点而进行电力转换；以及异常时动作模式，在该模式下，使用所述第2逆变器和在所述第1逆变器中构成的所述各相的绕组的第2中性点而进行电力转换，当所述第1逆变器所包含的多个开关元件中的至少一个发生了故障时，将电力转换的动作模式从所述正常时动作模式切换为所述异常时动作模式。

本发明的例示的其他电力转换装置将来自电源的电力转换为提供给具有n相(n是3以上的整数)的绕组的马达的电力，其中，所述电力转换装置具有：第1逆变器，其与所述马达的各相的绕组的一端连接；第2逆变器，其与所述各相的绕组的另一端连接；第1切换电路，其具有对所述第1逆变器与所述电源之间的连接和非连接进行切换的第1开关元件或者对所述第1逆变器与地之间的连接和非连接进行切换的第2开关元件；以及第2切换电路，其具有对所述第2逆变器与所述电源之间的连接和非连接进行切换的第3开关元件或者对所述第2逆变器与地之间的连接和非连接进行切换的第4开关元件，所述电力转换装置具有如下模式：正常时动作模式，在该模式下，使用所述第1逆变器和在所述第2逆变器中构成的所述各相的绕组的第1中性点而进行电力转换；以及异常时动作模式，在该模式下，使用所述第2逆变器和在所述第1逆变器中构成的所述各相的绕组的第2中性点而进行电力转换，当所述第1逆变器所包含的多个开关元件中的至少一个发生了故障时，将电力转换的动作模式从所述正常时动作模式切换为所述异常时动作模式。

发明效果

根据本发明的例示的实施方式，针对第1逆变器，能够对电源和gnd中的至少一方与第1逆变器之间的连接和非连接进行切换，并且，针对第2逆变器，能够对电源或者gnd与第2逆变器之间的连接和非连接进行切换。由此，提供了无论在正常时还是异常时都能够进行适当的电流控制的电力转换装置。

附图说明

图1是示出例示的实施方式1的电力转换装置100的典型的电路结构的电路图。

图2是示出例示的实施方式1的电力转换装置100的另一电路结构的电路图。

图3是示出例示的实施方式1的电力转换装置100的又一电路结构的电路图。

图4是示出具有电力转换装置100的马达驱动单元400的典型的块结构的框图。

图5是例示对电流值进行标绘而得到的电流波形的曲线图，该电流值是在正常时对电力转换装置100进行控制时在马达200的u相、v相以及w相的各绕组中流动的电流值。

图6是示出正常时的例如马达电角度为90°时的电力转换装置100内的电流的流动的示意图。

图7是示出切换电路110a、110b以及第1逆变器120的各fet处于第1状态时的电力转换装置100内的电流的流动的示意图。

图8是例示对电流值进行标绘而得到的电流波形的曲线图，该电流值是在第1状态下对电力转换装置100进行控制时在马达200的u相、v相以及w相的各绕组中流动的电流值。

图9是示出切换电路110a、110b以及第1逆变器120的各fet处于第3状态时的电力转换装置100内的电流的流动的示意图。

图10是示出切换电路110a、110b以及第1逆变器120的各fet处于第3状态时的电力转换装置100内的电流的流动的示意图。

图11a是示出例示的实施方式1的变形的电力转换装置100a的电路结构的电路图。

图11b是示出例示的实施方式1的变形的电力转换装置100a的电路结构的电路图。

图11c是示出例示的实施方式1的变形的电力转换装置100a的电路结构的电路图。

图12是示出例示的实施方式2的电动助力转向装置500的典型的结构的框图。

具体实施方式

在对本发明的实施方式进行说明之前，对作为本发明的基础的本申请发明者的见解进行说明。

在专利文献1的电力转换装置中，电源和gnd与两个逆变器分别始终保持连接。在该结构中，无法切断电源与故障逆变器之间的连接。本申请发明者发现如下课题：即使在异常时在故障逆变器中构成了中性点，故障逆变器也会从电源引入电流。由此，在故障逆变器中产生电力损失。

与电源同样，也无法切断故障逆变器与gnd之间的连接。本申请发明者发现如下课题：即使在异常时在故障逆变器中构成了中性点，通过正常的一方的逆变器向各相的绕组提供的电流也不会返回到提供方的逆变器，而是从故障逆变器流向gnd。换言之，无法形成驱动电流的闭环。期望从正常的一方的逆变器向各相的绕组提供的电流通过该提供方的逆变器而流入gnd。

以下，参照附图对本发明的电力转换装置、马达驱动单元以及电动助力转向装置的实施方式进行详细说明。但是，为了避免使以下的说明不必要地冗长，并且使本领域技术人员易于理解，有时省略过度详细的说明。例如，有时省略已经公知的事项的详细说明和对实质相同的结构的重复说明。

在本申请说明书中，以对提供给具有三相(u相、v相、w相)的绕组的三相马达的电力进行转换的电力转换装置为例对本发明的实施方式进行说明。但是，对提供给具有四相或五相等n相(n为4以上的整数)的绕组的n相马达的电力进行转换的电力转换装置也属于本发明的范畴。

(实施方式1)

图1示意性地示出本实施方式的电力转换装置100的典型的电路结构。

电力转换装置100具有切换电路110a、110b、第1逆变器120以及第2逆变器130。电力转换装置100能够对提供给各种马达的电力进行转换。马达200例如是三相交流马达。另外，在本申请说明书中，为了说明方便，将图中的左侧的逆变器称作第1逆变器120，将右侧的逆变器称作第2逆变器130。但是，该关系当然也可以相反。

马达200具有u相的绕组m1、v相的绕组m2以及w相的绕组m3，与第1逆变器120和第2逆变器130连接。具体说明的话，第1逆变器120与马达200的各相的绕组的一端连接，第2逆变器130与各相的绕组的另一端连接。在本申请说明书中，部件(结构要素)之间的“连接”主要指电连接。第1逆变器120具有与各相对应的端子u_l、v_l以及w_l，第2逆变器130具有与各相对应的端子u_r、v_r以及w_r。

第1逆变器120的端子u_l与u相的绕组m1的一端连接，端子v_l与v相的绕组m2的一端连接，端子w_l与w相的绕组m1的一端连接。与第1逆变器120同样地，第2逆变器130的端子u_r与u相的绕组m1的另一端连接，端子v_r与v相的绕组m2的另一端连接，端子w_r与w相的绕组m1的另一端连接。与马达之间的这种接线与所谓的星形接线和三角形接线不同。

切换电路110a用于第1逆变器120，具有第1和第2开关元件111、112。切换电路110b用于第2逆变器130，具有第3开关元件113。在本申请说明书中，有时将具有设置于电源101侧的第1和第3开关元件111、113的切换电路称为“电源侧切换电路”，将具有设置于gnd侧的第2开关元件112的切换电路称为“gnd侧切换电路”。

在电力转换装置100中，第1逆变器120能够通过切换电路110a而与电源101和gnd电连接。第2逆变器130能够通过切换电路110b而与电源101电连接。具体说明的话，第1开关元件111对第1逆变器120与电源101之间的连接和非连接进行切换。第2开关元件112对第1逆变器120与gnd之间的连接和非连接进行切换。第3开关元件113对第2逆变器130与电源101之间的连接和非连接进行切换。另外，在图1所示的电路结构例中，第2逆变器130与gnd始终保持连接。

第1至第3开关元件111、112以及113的导通和截止例如能够由微控制器或专用驱动器来控制。作为第1至第3开关元件111、112以及113，例如能够广泛使用场效应晶体管(典型地为mosfet)或绝缘栅双极晶体管(igbt)等晶体管。或者，作为这些开关元件，也可以使用机械继电器。以下，对使用fet作为第1至第3开关元件111、112以及113的例子进行说明，例如将第1开关元件111记作fet111。

fet111具有续流二极管111d，配置为续流二极管111d朝向电源101。更详细地讲，fet111配置为使得在续流二极管111d中朝向电源101流动正向电流。fet113也与fet111同样地配置。

fet112具有续流二极管112d，配置为续流二极管111d朝向电源101。更详细而言，fet112配置为使得在续流二极管112d中朝向第1逆变器120流动正向电流。

不限于图示的例子，考虑设计规格等而适当决定所使用的开关元件的个数。尤其是，在车载领域内，从安全性的观点考虑，要求保证高品质，因此在电源侧和gnd侧切换电路中，优选预先设置多个开关元件作为各逆变器用元件。

图2示意地示出本实施方式的电力转换装置100的另一电路结构。

电源侧切换电路也可以还具有反向连接保护用的第5开关元件(fet)115和第6开关元件(fet)116。fet111和fet115配置为fet内的续流二极管的朝向彼此对置。fet113和fet116配置为fet内的续流二极管的朝向彼此对置。具体说明的话，fet115配置为在续流二极管中朝向第1逆变器120流动正向电流。fet116配置为在续流二极管中朝向第2逆变器130流动正向电流。在电源101反向连接的情况下，能够通过反向连接保护用的两个fet来切断反向电流。

电源101生成规定的电源电压。作为电源101，例如可以使用直流电源。其中，电源101可以是ac-dc转换器和dc-dc转换器，也可以是电池(蓄电池)。

电源101可以是在第1和第2逆变器120、130中通用的单一电源，也可以具有第1逆变器120用的第1电源和第2逆变器130用的第2电源。

在电源101与电源侧切换电路之间设置有线圈102。线圈102作为噪声滤波器而发挥功能，以使得向各逆变器提供的电压波形所包含的高频噪声或在各逆变器中产生的高频噪声不向电源101侧流出的方式进行平滑化。此外，在各逆变器的电源端子上连接有电容器103。电容器103是所谓的旁路电容器，抑制电压波纹。电容器103例如是电解电容器，根据设计规格等而适当决定容量和要使用的个数。

第1逆变器120(有时记作“桥电路l”)包含由三个支路构成的桥电路。各支路具有低端开关元件和高端开关元件。图1所示的开关元件121l、122l以及123l是低端开关元件，开关元件121h、122h以及123h是高端开关元件。作为开关元件，例如能够使用fet或igbt。以下，对使用fet作为开关元件的例子进行说明，有时将开关元件记作fet。例如，将开关元件121l、122l以及123l记作fet121l、122l以及123l。

第1逆变器120具有三个分流电阻121r、122r以及123r作为用于检测在u相、v相以及w相的各相的绕组中流动的电流的电流传感器(参照图4)。电流传感器150具有检测在各分流电阻中流动的电流的电流检测电路(未图示)。例如，分流电阻121r、122r以及123r分别连接在第1逆变器120的三个支路所包含的三个低端开关元件与gnd之间。具体而言，分流电阻121r电连接在fet121l与fet111之间，分流电阻122r电连接于fet122l与fet111之间，分流电阻123r电连接在fet123l与fet111之间。分流电阻的电阻值例如是0.5mω～1.0mω左右。

与第1逆变器120同样地，第2逆变器130(有时记作“桥电路r”)包含由三个支路构成的桥电路。图1所示的fet131l、132l以及133l是低端开关元件，fet131h、132h以及133h是高端开关元件。此外，第2逆变器130具有三个分流电阻131r、132r以及133r。这些分流电阻连接在三个支路所包含的三个低端开关元件与gnd之间。第1和第2逆变器120、130的各fet例如能够通过微控制器或专用驱动器来控制。

另外，分流电阻的连接例不限于上述情况。例如，三个分流电阻121r、122r以及123r也可以配置在fet121h、122h以及123h与fet111之间。此外，各逆变器用的分流电阻的数量不限于三个。例如，能够使用两个分流电阻121r、122r以用于第1逆变器120。考虑产品成本和设计规格等而适当决定所使用的分流电阻的数量和分流电阻的配置。

图3示意性地示出本实施方式的电力转换装置100的又一电路结构。

也可以如图3所示，第2逆变器130用的切换电路110b具有第4开关元件(fet)114来代替fet113。fet114对第2逆变器130与gnd之间的连接和非连接进行切换。这样，本实施方式的切换电路110b可以具有fet113或者fet114。

图4示意地示出具有电力转换装置100的马达驱动单元400的典型的块结构。

马达驱动单元400具有电力转换装置100、马达200以及控制电路300。

控制电路300例如具有电源电路310、角度传感器320、输入电路330、微控制器340、驱动电路350以及rom360。控制电路300与电力转换装置100连接，通过对电力转换装置100进行控制而驱动马达200。具体而言，控制电路300能够对作为目标的马达扭矩和转速进行控制而实现闭环控制。

电源电路310生成电路内的各块所需要的dc电压(例如3v、5v)。角度传感器320例如是旋转变压器或霍尔ic。角度传感器320检测马达200的转子的旋转角(以下，记作“旋转信号”)，将旋转信号输出给微控制器340。输入电路330接收由电流传感器150检测到的马达电流值(以下，记作“实际电流值”)，根据需要将实际电流值的电平转换为微控制器340的输入电平，将实际电流值输出给微控制器340。

微控制器340对电力转换装置100的第1和第2逆变器120、130中的各fet的开关动作(打开或关闭)进行控制。微控制器340根据实际电流值和转子的旋转信号等而设定目标电流值，从而生成pwm信号，并将该pwm信号输出给驱动电路350。此外，微控制器340能够对电力转换装置100的切换电路110a、110b中的各fet的导通或者截止进行控制。

驱动电路350典型地是栅极驱动器。驱动电路350根据pwm信号而生成对第1和第2逆变器120、130中的各fet的开关动作进行控制的控制信号(栅极控制信号)，将控制信号提供给各fet的栅极。而且，驱动电路350能够根据来自微控制器340的指示而生成对切换电路110a、110b中的各fet的导通或者截止进行控制的控制信号(栅极控制信号)，将控制信号提供给各fet的栅极。但是，微控制器340也可以具有驱动电路350的功能。该情况下，也可以在控制电路300中不存在驱动电路350。

rom360例如是可写入的存储器(例如prom)、可改写的存储器(例如闪存)或只读存储器。rom360保存控制程序，该控制程序包含用于使微控制器340控制电力转换装置100的命令组。例如，控制程序在启动时被临时加载到ram(未图示)中。

电力转换装置100具有正常时和异常时的动作(控制)模式。电力转换装置100能够将动作模式从正常时动作模式切换为异常时动作模式。具体而言，控制电路300(主要是微控制器340)能够将电力转换的控制从正常时的控制切换为异常时的控制。根据控制模式和fet的故障类型来决定切换电路110a、110b以及第1和第2逆变器120、130中的各fet的导通/截止状态。

(1.正常时动作模式)

首先，对电力转换装置100的正常时的动作(控制方法)的具体例进行说明。如上所述，正常是指第1和第2逆变器120、130的各fet没有发生故障的状态。在正常时，控制电路300能够使用第1逆变器120和在第2逆变器130中构成的各相的绕组的中性点进行电力转换。

控制电路300使切换电路110a的fet111、112导通。由此，电源101与第1逆变器120电连接，并且第1逆变器120与gnd电连接。此外，控制电路300使切换电路110b的fet113截止。由此，电源101与第2逆变器130被电切断。在该连接状态下，控制电路300使第2逆变器130中的高端开关元件131h、132h以及133h导通，使低端开关元件131l、132l以及133l截止。其结果为，第2逆变器130的高端侧的节点n1(参照图1)作为各绕组的中性点而发挥功能。在本申请说明书中，将某个节点作为中性点而发挥功能表达为“构成中性点”。电力转换装置100能够使用中性点n1和第1逆变器120而进行电力转换。

在正常时的控制中，第1逆变器120作为完成各fet的开关动作的驱动用逆变器而发挥功能，第2逆变器130作为构成中性点的中性点用逆变器而发挥功能。

根据图3所示的电力转换装置100，控制电路300使fet111、112导通而使fet114截止，并且使第2逆变器130中的高端开关元件131h、132h以及133h截止而使低端开关元件131l、132l以及133l导通。其结果为，第2逆变器130的低端侧的节点n3作为各绕组的中性点而发挥功能。电力转换装置100能够使用中性点n4和第1逆变器120来进行电力转换。

图5例示对电流值进行标绘而得到的电流波形，该电流值是在正常时对电力转换装置100进行控制时在马达200的u相、v相以及w相的各绕组中流动的电流值。横轴表示马达电角度(度)，纵轴表示电流值(a)。在图5的电流波形中，按照每30°电角度而对电流值进行标绘。ipk表示各相的最大电流值(峰值电流值)。另外，除了图5例示的正弦波以外，也可以使用例如矩形波来驱动马达200。

表1在图5的正弦波中按照每个电角度而示出在各逆变器的端子中流动的电流值。具体而言，表1示出在第1逆变器120(桥电路l)的端子u_l、v_l以及w_l中流动的每30°电角度的电流值。在本申请说明书中，针对桥电路l，将从桥电路l的端子向桥电路r的端子流动的电流方向定义为正方向。图5所示的电流的方向遵循该定义。此外，针对桥电路r，将从桥电路r的端子向桥电路l的端子流动的电流方向定义为正方向。因此，桥电路l的电流与桥电路r的电流之间的相位差为180°。在表1中，电流值i1的大小是〔(3)^1/2/2〕＊ipk，电流值i2的大小是ipk/2。另外，依据电流方向的定义，图5所示的电流值的正负符号能够成为与表1所示的电流值的正负符号相反的关系(相位差180°)。

[表1]

在电角度为0°时，在u相的绕组m1中不流动电流。在v相的绕组m2中从桥电路r向桥电路l流动大小为i1的电流，在w相的绕组m3中从桥电路l向桥电路r流动大小为i1的电流。

在电角度为30°时，在u相的绕组m1中从桥电路l向桥电路r流动大小为i2的电流，在v相的绕组m2中从桥电路r向桥电路l流动大小为ipk的电流，在w相的绕组m3中从桥电路l向桥电路r流动大小为i2的电流。

在电角度为60°时，在u相的绕组m1中从桥电路l向桥电路r流动大小为i1的电流，在v相的绕组m2中从桥电路r向桥电路l流动大小为i1的电流。在w相的绕组m3中不流动电流。

在电角度为90°时，在u相的绕组m1中从桥电路l向桥电路r流动大小为ipk的电流，在v相的绕组m2中从桥电路r向桥电路l流动大小为i2的电流，在w相的绕组m3中从桥电路r向桥电路l流动大小为i2的电流。

在电角度为120°时，在u相的绕组m1中从桥电路l向桥电路r流动大小为i1的电流，在w相的绕组m3中从桥电路r向桥电路l流动大小为i1的电流。在v相的绕组m2中不流动电流。

在电角度为150°时，在u相的绕组m1中从桥电路l向桥电路r流动大小为i2的电流，在v相的绕组m2中从桥电路l向桥电路r流动大小为i2的电流，在w相的绕组m3中从桥电路r向桥电路l流动大小为ipk的电流。

在电角度为180°时，在u相的绕组m1中不流动电流。在v相的绕组m2中从桥电路l向桥电路r流动大小为i1的电流，在w相的绕组m3中从桥电路r向桥电路l流动大小为i1的电流。

在电角度为210°时，在u相的绕组m1中从桥电路r向桥电路l流动大小为i2的电流，在v相的绕组m2中从桥电路l向桥电路r流动大小为ipk的电流，在w相的绕组m3中从桥电路r向桥电路l流动大小为i2的电流。

在电角度为240°时，在u相的绕组m1中从桥电路r向桥电路l流动大小为i1的电流，在v相的绕组m2中从桥电路l向桥电路r流动大小为i1的电流。在w相的绕组m3中不流动电流。

在电角度为270°时，在u相的绕组m1中从桥电路r向桥电路l流动大小为ipk的电流，在v相的绕组m2中从桥电路l向桥电路r流动大小为i2的电流，在w相的绕组m3中从桥电路l向桥电路r流动大小为i2的电流。

在电角度为300°时，在u相的绕组m1中从桥电路r向桥电路l流动大小为i1的电流，在w相的绕组m3中从桥电路l向桥电路r流动大小为i1的电流。在v相的绕组m2中不流动电流。

在电角度为330°时，在u相的绕组m1中从桥电路r向桥电路l流动大小为i2的电流，在v相的绕组m2中从桥电路r向桥电路l流动大小为i2的电流，在w相的绕组m3中从桥电路l向桥电路r流动大小为ipk的电流。

根据使用了中性点的电力转换的控制，考虑了电流方向的在三相的绕组中流动的电流的总和按照每个电角度而始终为“0”。例如，控制电路300通过可得到图5所示的电流波形那样的矢量控制而对桥电路l的各fet的开关动作进行控制。

图6示意性地示出正常时的例如马达电角度为90°时的电力转换装置100内的电流的流动。3条实线分别表示从电源101流向马达200的电流，虚线表示返回马达200的绕组m1的再生电流。

在图6所示的状态下，在第1逆变器120中，fet121h、122l以及123l为导通状态，fet121l、122h以及123h为截止状态。在第1逆变器120的fet121h中流过的电流通过绕组m1和第2逆变器130的fet131h而流到中性点n1。该电流的一部分通过fet132h而流到绕组m2，剩余的电流通过fet133h而流到绕组m3。在绕组m2和m3中流过的电流流向第1逆变器120侧的gnd。此外，在fet121l的续流二极管中，再生电流朝向马达200的绕组m1流动。

由于电源101与第2逆变器130非电连接，因此不从电源101向第2逆变器130的中性点n1流入电流。此外，由于第2逆变器130的低端开关元件131l、132l以及133l全部处于截止状态，因此流过中性点n1的电流不流向gnd。由此，在正常时的控制中，通过使用切换电路110a、110b(具体而言是三个fet111、112以及113(或者114))，能够抑制电力损失，并且通过形成驱动电流的闭环，能够实现适当的电流控制。

(2.异常时动作模式)

如上所述，异常主要是指fet产生了故障。fet的故障大致分为“开路故障”和“短路故障”。“开路故障”是指fet的源极-漏极间开放的故障(换言之，源极-漏极间的电阻rds成为高阻抗)，“短路故障”是指fet的源极-漏极间短路的故障。

再次参照图1。在电力转换装置100进行动作时，通常认为产生了十六个fet中的一个fet随机地发生故障的随机故障。本发明主要以在具有电源侧和gnd侧切换电路的第1逆变器120中产生随机故障的情况下的电力转换装置100的控制方法为对象。但是，在本发明中，多个fet连锁地发生故障的情况等的电力转换装置100的控制方法也是对象。连锁的故障是指例如在一个支路的高端开关元件和低端开关元件中同时产生的故障。

如果长期使用电力转换装置100，则有可能在第1逆变器120中产生随机故障。另外，随机故障与在制造时可能产生的制造故障不同。当第1逆变器120的多个fet中的一个fet发生故障时，已经不可能进行通过第1逆变器120的各fet的开关动作而实现的正常时的控制。

作为故障检测的一例，驱动电路350通过监视fet的漏极-源极间的电压vds并且与规定的阈值电压进行比较来检测fet的故障。阈值电压例如通过与外部ic(未图示)的数据通信和外置部件而设定于驱动电路350。驱动电路350与微控制器340的端口连接，将故障检测信号通知给微控制器340。例如，驱动电路350在检测到fet的故障时，断言故障检测信号。微控制器340在接收到断言的故障检测信号时，读出驱动电路350的内部数据，在多个fet中判别哪个fet发生故障。

作为故障检测的另一例，微控制器340也能够根据马达的实际电流值与目标电流值的差来检测fet的故障。但是，故障检测不限于这些方法，能够广泛使用与故障检测相关的公知的方法。

微控制器340在故障检测信号被断言时，将电力转换装置100的控制从正常时的控制切换为异常时的控制。例如，将控制从正常时切换为异常时的时机是在故障检测信号被断言之后10msec～30msec左右。

在电力转换装置100的故障中存在各种各样的故障类型。以下，区分故障类型，按照每个模式而对电力转换装置100的异常时的控制进行详细说明。在本实施方式中，如上所述，将第1逆变器120作为故障逆变器来进行处理。电力转换装置100能够使用第2逆变器130和第1逆变器120中的各相的绕组的中性点而进行电力转换。

与正常时的控制相反地，在异常时的控制中，第2逆变器130作为完成各fet的开关动作的驱动用逆变器而发挥功能，第1逆变器120作为构成中性点的中性点用逆变器而发挥功能。

〔2-1.高端开关元件_开路故障〕

对在第1逆变器120的桥电路l中三个高端开关元件包含发生了开路故障的开关元件的情况下的异常时的控制进行说明。

假设在第1逆变器120的高端开关元件(fet121h、122h以及123h)中，fet121h发生开路故障。另外，在fet122h或者123h发生了开路故障的情况下，也能够使用以下说明的控制方法来控制电力转换装置100。

控制电路300将切换电路110a、110b的fet111、112以及113、第1逆变器120的fet122h、123h、121l、122l以及123l设为第1状态。在第1状态下，切换电路110a的fet111、112截止，切换电路110b的fet113导通。此外，第1逆变器120中的发生了故障的fet121h以外的fet122h、123h(与发生了故障的fet121h不同的高端开关元件)截止，fet121l、122l以及123l导通。

在第1状态下，第1逆变器120从电源101和gnd被电切断，第2逆变器130与电源101和gnd电连接。换言之，在第1逆变器120异常时，fet111将电源101与第1逆变器120的连接切断，并且fet112将第1逆变器120与gnd的连接切断。此外，通过使三个低端开关元件全部导通，低端侧的节点n2(参照图1)作为各绕组的中性点而发挥功能。换言之，在第1逆变器120的低端侧构成了中性点n2。电力转换装置100使用中性点n2和第2逆变器130来驱动马达200。

图7示意性地示出切换电路110a、110b以及第1逆变器120的各fet处于第1状态时的电力转换装置100内的电流的流动。图8例示对电流值进行标绘而得到的电流波形，该电流值是在第1状态下对电力转换装置100进行控制时在马达200的u相、v相以及w相的各绕组中流动的电流值。在图7中示出例如马达电角度为270°时的电流的流动。3条实线分别表示从电源101流向马达200的电流，虚线表示返回马达200的绕组m1的再生电流。

在图7所示的状态下，在第2逆变器130中，fet131h、132l以及133l是导通状态，fet131l、132h以及133h是截止状态。在第2逆变器130的fet131h中流过的电流通过绕组m1和第1逆变器120的fet121l而流到中性点n2。该电流的一部分通过fet122l而流到绕组m2，其余的电流通过fet123l而流到绕组m3。在绕组m2和m3中流过的电流流向第2逆变器130侧的gnd。此外，在fet131l的续流二极管中，再生电流朝向马达200的绕组m1流动。

表2按照图8的电流波形中的每个电角度而例示在第2逆变器130的端子中流动的电流值。具体而言，表2例示在第2逆变器130(桥电路r)的端子u_r、v_r以及w_r中流动的每30°电角度的电流值。电流方向的定义如上所述，图8所示的电流值的正负符号与表2所示的电流值的正负符号相反(相位差180°)。

[表2]

例如，在电角度为30°时，在u相的绕组m1中从桥电路l向桥电路r流动大小为i2的电流，在v相的绕组m2中从桥电路r向桥电路l流动大小为ipk的电流，在w相的绕组m3中从桥电路l向桥电路r流动大小为i2的电流。在电角度为60°时，在u相的绕组m1中从桥电路l向桥电路r流动大小为i1的电流，在v相的绕组m2中从桥电路r向桥电路l流动大小为i1的电流。在w相的绕组m3中不流动电流。流入中性点的电流与从中性点流出的电流的总和按照每个电角度而始终为“0”。控制电路300例如通过可得到图8所示的电流波形那样的矢量控制而对桥电路r的各fet的开关动作进行控制。

如表1和表2所示，可知在正常时和异常时的控制之间，在马达200中流动的马达电流不会按照每个电角度而改变。因此，与正常时的控制相比，在异常时的控制中，马达的辅助扭矩并不降低。

由于电源101与第1逆变器120非电连接，因此电流不会从电源101流入第1逆变器120。此外，由于第1逆变器120与gnd非电连接，因此在中性点n2流动的电流不会流向gnd。由此，能够抑制电力损失，并且通过形成驱动电流的闭环而能够进行适当的电流控制。

在高端开关元件(例如fet121h)发生开路故障的情况下，切换电路110a、110b以及第1逆变器120的各fet的状态不限于第1状态。例如，控制电路300也可以将这些fet设为第2状态。在第2状态下，切换电路110a的fet111导通，fet112截止，并且fet113导通。此外，第1逆变器120中的发生了故障的fet121h以外的fet122h、123h截止，fet121l、122l以及123l导通。第1状态与第2状态的差异在于fet111是否导通。fet111也可以导通的理由在于：在fet121h发生开路故障的情况下，通过将fet122h、123h控制为截止状态，高端开关元件全部成为开放状态，即使fet111导通，电流也不会从电源101流向第1逆变器120。这样，在发生开路故障时，fet111可以为导通状态，也可以为截止状态。

〔2-2.高端开关元件_短路故障〕

对在第1逆变器120的桥电路l中三个高端开关元件包含发生了短路故障的开关元件的情况的异常时的控制进行说明。

假设在第1逆变器120的高端开关元件(fet121h、122h以及123h)中，fet121h发生短路故障。另外，在fet122h或者123h发生了短路故障的情况下，也能够使用以下说明的控制方法来控制电力转换装置100。

在fet121h发生短路故障的情况下，控制电路300将切换电路110a、110b的fet111、112以及113、第1逆变器120的fet122h、123h、121l、122l以及123l设为第1状态。另外，在发生短路故障的情况下，当fet113导通时，电流从电源101流入发生了短路的fet121h，因此第2状态下的控制是禁止的。

与开路故障时同样地，通过使三个低端开关元件全部导通，在低端侧的节点n2构成了各绕组的中性点n2。电力转换装置100使用第1逆变器120中的中性点n2和第2逆变器130来驱动马达200。控制电路300例如通过可得到图8所示的电流波形那样的矢量控制而对桥电路r的各fet的开关动作进行控制。例如，在短路故障时的第1状态下，在电角度为270°时，在电力转换装置100内流动的电流的流动如图7所示，此外，按照每个马达电角度而在各绕组中流动的电流值如表2所示。

另外，在fet121h发生短路故障的情况下，例如，在图7所示的各fet的第1状态下，在表2中的马达电角度为0°～120°时，再生电流通过fet122h的续流二极管而流向fet121h，在表2中的马达电角度为60°～180°时，再生电流通过fet123h的续流二极管而流向fet121h。这样，在发生短路故障的情况下，在马达电角度的某个范围内，电流能够通过fet121h而分散。

根据该控制，由于电源101与第1逆变器120非电连接，因此电流不会从电源101流入第1逆变器120。此外，由于第1逆变器120与gnd非电连接，因此流动中性点n2的电流不会流向gnd。

〔2-3低端开关元件_开路故障〕

对在第1逆变器120的桥电路l中三个低端开关元件包含发生了开路故障的开关元件的情况的异常时的控制进行说明。

假设在第1逆变器120的低端开关元件(fet121l、122l以及123l)中，fet121l发生开路故障。另外，在fet122l或者123l发生开路故障的情况下也能够使用以下说明的控制方法来控制电力转换装置100。

在fet121l发生开路故障的情况下，控制电路300将切换电路110a、110b的fet111、112以及113、第1逆变器120的fet121h、122h、123h、122l以及123l设为第3状态。在第3状态下，切换电路110a的fet111、112截止，切换电路110b的fet113导通。此外，第1逆变器120中的发生故障的fet121l以外的fet122l、123l(与发生了故障的121l不同的低端开关元件)截止，fet121h、122h以及123h导通。

在第3状态下，第1逆变器120从电源101和gnd被电切断，第2逆变器130与电源101和gnd电连接。此外，通过使第1逆变器120的三个高端开关元件全部导通，在高端侧的节点n3(参照图1)构成了各绕组的中性点n3。

图9示意性地示出切换电路110a、110b以及第1逆变器120的各fet处于第3状态时的电力转换装置100内的电流的流动。在图9中示出例如马达电角度为270°时的电流的流动。3条实线分别表示从电源101流向马达200的电流，虚线表示返回马达200的绕组m1的再生电流。

在图9所示的状态下，在第2逆变器130中，fet131h、132l以及133l是导通状态，fet131l、132h以及133h是截止状态。在第2逆变器130的fet131h中流过的电流通过绕组m1和第1逆变器120的fet121h而流到中性点n3。该电流的一部分通过fet122h而流到绕组m2，其余的电流通过fet123h而流到绕组m3。在绕组m2和m3中流过的电流流向第2逆变器130侧的gnd。此外，在fet131l的续流二极管中，再生电流朝向马达200的绕组m1流动。例如，按照每个马达电角度而在各绕组中流动的电流值如表2所示。

电力转换装置100使用第1逆变器120中的中性点n3和第2逆变器130来驱动马达200。控制电路300通过可得到例如图8所示的电流波形那样的矢量控制而对桥电路r的各fet的开关动作进行控制。

根据该控制，由于电源101与第1逆变器120非电连接，因此电流不会从电源101流入第1逆变器120的中性点n3。此外，由于第1逆变器120与gnd非电连接，因此电流不会从第1逆变器120流向gnd。

在低端开关元件(例如fet121l)发生开路故障的情况下，切换电路110a、110b以及第1逆变器120的各fet的状态不限于第3状态。例如，控制电路300也可以将这些fet设为第4状态。在第4状态下，切换电路110a的fet111截止，fet112导通，并且fet113导通。此外，第1逆变器120中的发生了故障的fet121l以外的fet122l、123l截止，fet121h、122h以及123h导通。第3状态与第4状态的差异在于fet112是否导通。fet112也可以导通的理由在于：在fet121l发生开路故障的情况下，通过将fet122l、123l控制为截止状态，低端开关元件全部成为开放状态，即使fet111导通，电流也不会流向gnd。这样，在发生开路故障时，fet112可以为导通状态，也可以为截止状态。

〔2-4.低端开关元件_短路故障〕

对在第1逆变器120的桥电路r中三个低端开关元件包含发生了短路故障的开关元件的情况下的异常时的控制进行说明。

假设在第1逆变器120的低端开关元件(fet121l、122l以及123l)中，fet121l发生短路故障。另外，在fet122l或者123l发生了短路故障的情况下也能够使用以下说明的控制方法来控制电力转换装置100。

在fet121l发生短路故障的情况下，与发生开路故障时同样地，控制电路300将切换电路110a、110b的fet111、112以及113、第1逆变器120的fet121h、122h、123h、122l以及123l设为第3状态。另外，在发生短路故障的情况下，当fet111导通时，电流从发生了短路的fet121l流入gnd，因此第4状态下的控制是禁止的。

图10示意性地示出切换电路110a、110b和第1逆变器120的各fet处于第3状态时的电力转换装置100内的电流的流动。在图10中示出例如马达电角度为270°时的电流的流动。3条实线分别表示从电源101流向马达200的电流，较长的虚线表示在fet121l中流动的电流，较短的虚线表示返回马达200的绕组m1的再生电流。

在图10所示的状态下，在第2逆变器130中，fet131h、132l以及133l是导通状态，fet131l、132h以及133h是截止状态。在第2逆变器130的fet131h中流过的电流通过绕组m1和第1逆变器120的fet121h而流到中性点n3。该电流的一部分通过fet122h而流到绕组m2，其余的电流通过fet123h而流到绕组m3。在绕组m2和m3中流过的电流流向第2逆变器130侧的gnd。此外，在fet131l的续流二极管中，再生电流朝向马达200的绕组m1流动。而且，与发生开路故障不同地，在短路故障中，电流从发生了短路的fet121l流到低端侧的节点n2。该电流的一部分通过fet122l的续流二极管而流到绕组m2，其余的电流通过fet123l的续流二极管而流到绕组m3。在绕组m2和m3中流过的电流流向第2逆变器130侧的gnd。

例如，按照每个马达电角度的在各绕组中流动的电流值如表2所示。电力转换装置100使用第1逆变器120中的中性点n2、n3以及第2逆变器130来驱动马达200。控制电路300通过可得到例如图8所示的电流波形那样的矢量控制而对桥电路r的各fet的开关动作进行控制。

根据该控制，由于电源101与第1逆变器120非电连接，因此电流不从电源101流入第1逆变器120的中性点n3。此外，由于第1逆变器120与gnd非电连接，因此，电流不从第1逆变器120流向gnd。

根据本实施方式，通过使用切换电路110a、110b中的三个fet111、112以及113(或者114)，能够在正常时和异常时双方的控制中抑制电力损失，并且通过形成驱动电流的闭环，能够实现适当的电流控制。

以下，对本实施方式的变型的电力转换装置100a进行说明。本发明的第1逆变器120用的切换电路110a只要具有第1和第2开关元件111、112中的至少一个即可。

图11a示意性地示出包含具有fet112、114的gnd侧切换电路的电力转换装置100a的电路结构。在图11a所示的电力转换装置100a中，切换电路110a具有fet112。根据该结构，在正常时的控制中，控制电路300使fet112导通，使fet114截止。通过使第2逆变器130的全部低端开关元件导通并且使全部高端开关元件截止，在第2逆变器130中构成了中性点n4。电力转换装置100a能够使用中性点n4和第1逆变器120来驱动马达200。

例如，在第1逆变器120的fet121h发生开路故障的情况下，在异常时的控制中，控制电路300使fet112截止而使fet114导通，并且，使第1逆变器120的fet122h、123h截止而使fet121l、122l和123l导通。由此，在第1逆变器120的低端侧构成了中性点n2。电力转换装置100a能够使用中性点n2和第2逆变器130来驱动马达200。

图11b示意性地示出包含具有fet111、113的电源侧切换电路的电力转换装置100a的电路结构。在图11b所示的电力转换装置100a中，切换电路110a具有fet111。根据该结构，例如在第1逆变器120的fet121l发生了开路故障的情况下，在异常时的控制中，控制电路300使fet111截止而使fet113导通，并且使第1逆变器120的fet121h、122h、123h导通而使fet122l、123l截止。由此，在第1逆变器120的高端侧构成了中性点n3。电力转换装置100a能够使用中性点n3和第2逆变器130来驱动马达200。

图11c示意性地示出包含具有fet111的切换电路110a和具有fet114的切换电路110b的电力转换装置100a的电路结构。根据该结构，例如，在第1逆变器120的fet121l发生了开路故障的情况下，在异常时的控制中，在第1逆变器120的高端侧构成了中性点n3。电力转换装置100a能够使用中性点n3和第2逆变器130来驱动马达200。

(实施方式2)

汽车等车辆一般具有电动助力转向装置。电动助力转向装置生成辅助扭矩，该辅助扭矩用于对驾驶员操作方向盘而产生的转向系统的转向扭矩进行辅助。辅助扭矩由辅助扭矩机构生成，能够减轻驾驶员的操作负担。例如，辅助扭矩机构由转向扭矩传感器、ecu、马达以及减速机构等构成。转向扭矩传感器检测转向系统中的转向扭矩。ecu根据转向扭矩传感器的检测信号而生成驱动信号。马达根据驱动信号生成与转向扭矩对应的辅助扭矩，经由减速机构而将辅助扭矩传递给转向系统。

本发明的马达驱动单元400适合用于电动助力转向装置。图12示意地示出本实施方式的电动助力转向装置500的典型的结构。电动助力转向装置500具有转向系统520和辅助扭矩机构540。

转向系统520例如能够由方向盘521、转向轴522(也称作“转向柱”)、万向联轴器523a、523b、旋转轴524(也称作“小齿轮轴”或“输入轴”)、齿轮齿条机构525、齿条轴526、左右的球窝接头552a、552b、拉杆527a、527b、转向节528a、528b、以及左右的转向车轮(例如左右的前轮)529a、529b构成。方向盘521经由转向轴522和万向联轴器523a、523b而与旋转轴524连结。旋转轴524经由齿轮齿条机构525而与齿条轴526连结。齿轮齿条机构525具有设置于旋转轴524的小齿轮531和设置于齿条轴526的齿条532。在齿条轴526的右端依次经由球窝接头552a、拉杆527a以及转向节528a而连结右侧的转向车轮529a。与右侧同样地，在齿条轴526的左端依次经由球窝接头552b、拉杆527b以及转向节528b而连结左侧的转向车轮529b。这里，右侧和左侧分别与坐在座位上的驾驶员观察到的右侧和左侧一致。

根据转向系统520，通过驾驶员对方向盘521进行操作而产生转向扭矩，该转向扭矩经由齿轮齿条机构525而传递给左右的转向车轮529a、529b。由此，驾驶员能够操作左右的转向车轮529a、529b。

辅助扭矩机构540例如能够由转向扭矩传感器541、ecu542、马达543、减速机构544以及电力转换装置545构成。辅助扭矩机构540将辅助扭矩提供给从方向盘521至左右的转向车轮529a、529b的转向系统520。另外，辅助扭矩有时也被称作“附加扭矩”。

作为ecu542，能够使用本发明的控制电路300，作为电力转换装置545，能够使用本发明的电力转换装置100。此外，马达543相当于本发明的马达200。作为能够由ecu542、马达543以及电力转换装置545构成的机电一体式马达，能够优选使用本发明的马达驱动单元400。

转向扭矩传感器541检测转向系统520的通过方向盘521而被施加的转向扭矩。ecu542根据来自转向扭矩传感器541的检测信号(以下，记作“扭矩信号”)而生成用于驱动马达543的驱动信号。马达543根据驱动信号而产生与转向扭矩对应的辅助扭矩。辅助扭矩经由减速机构544而传递给转向系统520的旋转轴524。减速机构544例如是蜗轮机构。辅助扭矩进而从旋转轴524传递给齿轮齿条机构525。

电动助力转向装置500能够根据将辅助扭矩施加于转向系统520的部位而分类为小齿轮辅助型、齿条辅助型以及柱辅助型等。在图12中示出小齿轮辅助型的电动助力转向装置500。但是，电动助力转向装置500也可以应用于齿条辅助型、柱辅助型等。

不仅可以向ecu542中输入扭矩信号，也可以输入例如车速信号。外部设备560例如是车速传感器。或者，外部设备560例如也可以是能够利用can(controllerareanetwork：控制器局域网)等车内网络进行通信的其他ecu。ecu542的微控制器能够根据扭矩信号和车速信号等而对马达543进行矢量控制或pwm控制。

ecu542至少根据扭矩信号来设定目标电流值。优选为，ecu542考虑由车速传感器检测到的车速信号，进而考虑由角度传感器检测到的转子的旋转信号，而设定目标电流值。ecu542能够以使由电流传感器(未图示)检测到的实际电流值与目标电流值一致的方式对马达543的驱动信号、即驱动电流进行控制。

根据电动助力转向装置500，能够利用在驾驶员的转向扭矩上加上马达543的辅助扭矩而得到的复合扭矩、通过齿条轴526而对左右的转向车轮529a、529b进行操作。特别是通过在上述的机电一体式马达中利用本发明的马达驱动单元400，提供了具有发热对策提高并且能够进行适当的电流控制的马达驱动单元的电动助力转向装置。

产业上的可利用性

本发明的实施方式能够广泛用于吸尘器、吹风机、吊扇、洗衣机、冰箱以及电动助力转向装置等具有各种马达的各种设备。

标号说明

100、100a：电力转换装置；101：电源；102：线圈；103：电容器；110a、110b：切换电路；111：第1开关元件(fet)；112：第2开关元件(fet)；113：第3开关元件(fet)；114：第4开关元件(fet)；120：第1逆变器；121h、122h、123h：高端开关元件(fet)；121l、122l、123l：低端开关元件(fet)；121r、122r、123r：分流电阻；130：第2逆变器；131h、132h、133h：高端开关元件(fet)；131l、132l、133l：低端开关元件(fet)；131r、132r、133r：分流电阻；150：电流传感器；200：电动马达；300：控制电路；310：电源电路；320：角度传感器；330：输入电路；340：微控制器；350：驱动电路；360：rom；400：马达驱动单元；500：电动助力转向装置。