CN101931365A - 具有宽带隙功率晶体管的机动车功率电子器件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及具有宽带隙功率晶体管的机动车功率电子器件。提供一种机动车功率电子器件系统。所述机动车功率电子器件系统包括支撑构件和安装到所述支撑构件上的至少一个电子模。所述至少一个电子模上形成有集成电路，所述集成电路包括至少一个宽带隙晶体管。
Description
技术领域
本发明总体上涉及使用用于机动车应用的宽带隙功率半导体的功率电子器件。
背景技术
近年来，技术的发展以及样式的不断尝试使得机动车的设计产生了实质性改变。其中一种改变涉及机动车内电气系统的复杂性，特别是采用电压供应源的替代推进车辆，例如混合动力、蓄电池电动、以及燃料电池车辆。这种替代推进车辆通常使用一个或多个电动马达，通常由直流(DC)功率源提供动力，可能与另一个致动器结合以驱动车轮。
这种车辆通常使用两个独立电压源，例如蓄电池和燃料电池，以便为驱动车轮的电动马达提供动力。功率电子器件，例如直流-直流(DC/DC)变换器，通常用于管理和传输来自于一个电压源的DC功率并转换为更大或更小的电压。同样，由于替代推进机动车通常包括直流(DC)功率供应源，因而也设置直流-交流(DC/AC)逆变器(或功率逆变器)，以将DC功率变换为马达通常需要的交流(AC)功率。
现代功率电子器件通常使用电子部件，例如在硅半导体基底上形成的开关和二极管。这种部件具有不希望的特性，包括在以高频率(例如，超过16千赫(kHz))操作时的相对高的开关损失。此外，由于硅装置的操作温度与电气系统中的一些其它部件明显不同，因而必须使用多个冷却系统或“回路”，从而增加车辆的复杂性和制造成本。
随着替代燃料车辆中电气系统的功率需求继续增加，日益需要使得这种系统的电效率最大化。还不断期望减少电气系统内的部件的尺寸，以便使得车辆的总体成本和重量最小化。
因此，期望提供具有改进的性能特性的功率电子器件(或功率电子器件系统)以改进使用硅装置的不希望影响。此外，本发明的其它期望特征和特性将从随后的说明结合附图以及前述技术领域和背景技术显而易见。
发明内容
提供一种机动车功率电子器件系统。所述机动车功率电子器件系统包括支撑构件和安装到所述支撑构件上的至少一个电子模。所述至少一个电子模上形成有集成电路，所述集成电路包括至少一个宽带隙晶体管。
提供一种机动车功率电子器件推进系统。所述机动车功率电子器件推进系统包括支撑构件和安装到所述支撑构件上的多个电子模。每个电子模包括基底，所述基底上形成有集成电路。每个电子模的基底包括宽带隙半导体材料，每个集成电路包括至少一个宽带隙晶体管。
提供一种机动车推进系统。所述机动车推进系统包括电动马达、至少一个直流(DC)功率供应源、被联接到所述电动马达和所述至少一个DC功率供应源的功率逆变器、以及控制器，所述控制器与所述功率逆变器操作性连通且被联接到所述电动马达和所述至少一个DC功率供应源。所述功率逆变器包括支撑构件和安装到所述支撑构件上的至少一个电子模。所述至少一个电子模上形成有集成电路，所述集成电路包括至少一个宽带隙晶体管。所述控制器配置成操作所述至少一个宽带隙晶体管。
方案1.一种机动车功率电子器件系统，包括：
支撑构件；和
安装到所述支撑构件上的至少一个电子模，所述至少一个电子模上形成有集成电路，所述集成电路包括至少一个宽带隙晶体管。
方案2.根据方案1所述的机动车功率电子器件系统，其中，所述至少一个电子模包括基底，所述基底包括宽带隙半导体材料。
方案3.根据方案2所述的机动车功率电子器件系统，其中，所述宽带隙半导体材料具有大于1电子伏特(eV)的电子带隙。
方案4.根据方案3所述的机动车功率电子器件系统，其中，所述宽带隙半导体材料包括氮化镓、碳化硅或其组合。
方案5.根据方案4所述的机动车功率电子器件系统，还包括至少一个二极管，所述至少一个二极管安装到所述支撑构件且被联接到所述至少一个宽带隙晶体管。
方案6.根据方案5所述的机动车功率电子器件系统，其中，所述机动车功率逆变器是直流-交流(DC/AC)功率逆变器。
方案7.根据方案5所述的机动车功率电子器件系统，其中，所述机动车功率电子器件是直流-直流(DC/DC)功率变换器。
方案8.根据方案7所述的机动车功率电子器件系统，还包括被联接到所述至少一个宽带隙晶体管的电感器。
方案9.一种机动车功率电子器件推进系统，包括：
支撑构件；和
安装到所述支撑构件上的多个电子模，每个电子模包括基底，所述基底上形成有集成电路，每个电子模的基底包括宽带隙半导体材料，每个集成电路包括至少一个宽带隙晶体管。
方案10.根据方案9所述的机动车功率电子器件推进系统，还包括至少一个二极管，所述至少一个二极管安装到所述支撑构件且被联接到所述至少一个宽带隙晶体管。
方案11.根据方案10所述的机动车功率电子器件推进系统，其中，所述至少一个晶体管是场效应晶体管(FET)。
方案12.根据方案11所述的机动车功率电子器件推进系统，其中，所述宽带隙半导体材料包括氮化镓、碳化硅或其组合。
方案13.根据方案12所述的机动车功率电子器件推进系统，其中，所述机动车功率电子器件是直流-交流(DC/AC)功率逆变器。
方案14.根据方案13所述的机动车功率电子器件推进系统，其中，所述机动车功率电子器件是直流-直流(DC/DC)功率变换器。
方案15.根据方案14所述的机动车功率电子器件推进系统，还包括被联接到所述至少一个宽带隙晶体管的电感器。
方案16.一种机动车推进系统，包括：
电动马达；
至少一个直流(DC)功率供应源；
被联接到所述电动马达和所述至少一个DC功率供应源的功率逆变器，所述功率逆变器包括：
支撑构件；和
安装到所述支撑构件上的至少一个电子模，所述至少一个电子模上形成有集成电路，所述集成电路包括至少一个宽带隙晶体管；以及
控制器，所述控制器与所述功率逆变器操作性连通且被联接到所述电动马达和所述至少一个DC功率供应源，所述控制器配置成操作所述至少一个宽带隙晶体管。
方案17.根据方案16所述的机动车推进系统，还包括热交换器，所述热交换器通过多个流体管道与所述电动马达和所述功率逆变器中的至少一个、以及所述至少一个DC功率供应源流体连通。
方案18.根据方案17所述的机动车推进系统，其中，所述电动马达和所述功率逆变器中的至少一个、以及所述至少一个DC功率供应源通过所述多个流体管道流体连通，使得在不经过热交换器的情况下在所述电动马达和所述功率逆变器中的至少一个、以及所述至少一个DC功率供应源之间形成流动路径。
方案19.根据方案18所述的机动车推进系统，其中，所述至少一个DC功率供应源包括燃料电池。
方案20.根据方案19所述的机动车推进系统，其中，所述至少一个电子模包括基底，所述基底包括氮化镓、碳化硅或其组合。
附图说明
本发明将在下文结合以下附图描述，在附图中，相同的附图标记表示相同的元件，并且
图1是根据本发明的一个实施例的示例性机动车的示意图；
图2是图1的机动车内的直流-直流(DC/DC)功率变换器系统的示意图；
图3是图1的机动车内的直流-交流(DC/AC)功率逆变器系统的示意图；
图4是根据本发明的一个实施例的具有在其上形成的晶体管的宽带隙半导体基底的截面侧视图；和
图5是根据本发明的一个实施例的单回路冷却系统的示意图。
具体实施方式
以下具体实施方式本质上仅为示例性的且不旨在限制本发明或本发明的应用和使用。此外，并非旨在受限于前述技术领域、背景技术、发明内容或以下具体实施方式中提出的任何明确的或隐含的理论。
下面的描述涉及被“连接”或“联接”在一起的元件或特征。本文所使用的“连接”可指代一个元件/特征被机械地接合到(或者直接地连通)另一个元件/特征，并且不必是直接地。类似地，“联接”可指代一个元件/特征直接地或间接地接合(或者直接地或间接地连通)另一个元件/特征，并且不必是机械地。然而，应当理解，尽管两个元件在一个实施例中被描述为“连接”，在替代实施例中，类似的元件可以被“联接”，并且反之亦然。因此，尽管本文示出的示意图示出了元件的示例性布置，但是在实际的实施例中也可以出现附加的中间元件、装置、特征或部件。
此外，此处描述的各种部件和特征可以涉及使用特殊的数字描述词，例如第一，第二，第三等，以及位置和/或角度描述词，例如水平的和竖直的。然而，这些描述词仅用于与附图有关的描述性目的，不应当认为是限制性的，因为各种构件可以在其它实施例中重新布置。应当理解，图1-5仅仅是描述性的，并且可能不是按照比例绘制的。
图1-图5示出了根据本发明的一个实施例的机动车功率电子器件系统。所述机动车功率电子器件系统包括支撑构件和安装到所述支撑构件上的至少一个电子模。所述至少一个电子模上形成有集成电路，所述集成电路包括至少一个宽带隙晶体管。所述机动车功率电子器件系统可以是例如直流-直流(DC/DC)功率变换器或直流-交流(DC/AC)逆变器。电子模可包括半导体基底，所述半导体基底具有宽带隙半导体材料，例如氮化镓(GaN)、碳化硅(SiC)或其组合。与常规基于硅的装置相比，在晶体管中使用宽带隙半导体材料允许在没有高的开关损失的情况下增加操作频率以及允许使用单“回路”冷却系统来调节车辆中的各个电气部件的温度。
图1根据本发明的一个实施例示出了车辆或机动车10。机动车10包括底盘12、车身14、四个车轮16、和电子控制系统18。车身14设置在底盘12上并且基本上包围机动车10的其它部件。车身14和底盘12可共同地形成车架。车轮16每一个都联接到位于车身14的相应角部附近的底盘12上。
机动车10可以是多种不同类型的机动车中的任一种，例如，轿车、货车、卡车、或运动型车辆(SUV)，并且可以是两轮驱动(2WD)(即，后轮驱动或前轮驱动)，四轮驱动(4WD)，或全轮驱动(AWD)。机动车10还可结合有多种不同类型的发动机中的任一种或组合，例如，汽油或柴油燃料内燃机、“灵活燃料车辆”(FFV)发动机(即，使用汽油和酒精的混合物)、气体化合物(例如，氢气和/或天然气)燃料发动机、燃烧/电动马达混合动力发动机(即，例如在混合动力电动车辆(HEV)中)、和电动马达。
在图1所示出的示例性实施例中，机动车10是燃料电池车辆，并且还包括电动马达/发电机20、蓄电池22、燃料电池功率模块(FCPM)24、DC/DC变换器系统26、DC/AC逆变器28和热交换器(或散热器)30。虽然未示出，但是电动马达/发电机20(或马达)包括定子组件(包括导电线圈)、转子组件(包括铁磁芯)、和冷却流体(即，冷却剂)，如本领域技术人员理解的那样。马达20也可以包括在其中一体形成的变速器，使得马达20和变速器通过一个或多个驱动桥31机械地联接到至少一些车轮16。
如图所示，蓄电池22和FCPM 24与电子控制系统18和DC/DC变换器系统26操作性连通和/或电联接到电子控制系统18和DC/DC变换器系统26。虽然未示出，但是一个实施例中除了其它部件之外，FCPM 24还包括燃料电池，所述燃料电池具有阳极、阴极、电解质和催化剂。如通常理解的那样，阳极或负极传导从例如氢分子释放的电子，使得它们可以用于外部电路。阴极或正极(即，燃料电池的正柱)将电子从外部电路传导回到催化剂，其中，它们可以与氢离子和氧重新结合以形成水。电解质或质子交换膜仅仅传导带正电的离子，同时阻挡电子。催化剂利于氧气和氢气的反应。
图2更详细地示意性地示出了根据本发明的示例性实施例的DC/DC变换器系统26。在所示实施例中，DC/DC变换器系统26包括被联接到FCPM 24和蓄电池22的双向DC/DC变换器(BDC)32。在所示实施例中，BDC变换器32包括变换器支撑构件(例如，框架或基底)35和功率开关部分，所述功率开关部分具有两个双场效应晶体管(FET)管脚36和38，每个分别具有连接到或安装到变换器支撑构件35的两个FET 40和42、44和46。两个管脚36和38通过电感器(或多个电感器，如下文所述)48在中间点处互连。BDC变换器32还包括连接到第一FET管脚36的正轨迹的第一滤波器50和连接到第二FET管脚38的正轨迹的第二滤波器52。如图所示，滤波器50和52分别包括第一电感器54、第一电容器56、第二电感器58和第二电容器60。第一FET管脚36通过第一滤波器50连接到FCPM 24，第二FET管脚38通过第二滤波器52连接到蓄电池22。如图所示，FCPM 24和蓄电池未电隔离，因为负(-)端子被电连接。
虽然未示出，但是DC/DC变换器系统26也可以包括与BDC变换器32操作性连通的BDC控制器。BDC控制器可以在电子控制系统18(图1)内实施，如本领域通常理解的那样。还应当理解的是，虽然示出了双向变换器，但是其它实施例可以采用单向变换器，如本领域技术人员理解的那样。
图3更详细地示意性地示出了根据本发明的示例性实施例的DC/AC逆变器28。逆变器28包括逆变器支撑构件37和被连接到或安装到逆变器支撑构件37且被联接到马达20的三相电路。更具体地，逆变器28包括开关网络，具有通过DC/DC变换器系统26被联接到电压源62(例如，蓄电池22和/或FCPM 24)的第一输入和被联接到马达20的输出。虽然示出了单个电压源，但是可以使用具有两个串联电压源的分布直流(DC)链路。
开关网络包括三对串联开关(例如，FET)，每个开关带有与每个相对应的反并联二极管(antiparallel diode)(即，与每个开关反并联)。每对串联开关包括第一开关或晶体管(即“高”开关)64、66和68和第二开关(即“低”开关)70、72和74，第一开关或晶体管(即“高”开关)64、66和68具有联接到电压源62的正极的第一端子，第二开关(即“低”开关)70、72和74具有联接到电压源62的负极的第二端子以及联接到相应第一开关64、66和68的第二端子的第一端子。
虽然未示出，但是DC/AC逆变器28也可以包括逆变器控制模块，其可以在电子控制系统18(图1)内实施，如本领域通常理解的那样。
BDC 32和逆变器28也可以包括多个功率模块装置，每个包括半导体基底或者多个(即，一个或多个)电子模，每个上形成有集成电路，在集成电路中分配有开关40-46和64-74，如通常理解的那样。
图4示出了根据本发明的一个实施例的可以在BDC 32和/或逆变器28中实施的半导体基底80。根据本发明的一个方面，半导体基底80包括宽带隙半导体材料(例如，电子带隙大于1电子伏特(eV))，如通常理解的那样。所使用的半导体材料可以是氮化镓(GaN)、碳化硅(SiC)和/或其任何组合。应当注意的是，在一些实施例中，除了宽带隙材料之外，基底80可包括其它材料。例如基底可以包括在由例如硅或蓝宝石制成的基底上形成的一层宽带隙材料。
半导体基底80包括在其上形成的高电子流动性晶体管(HEMT)，例如EFT82，如通常理解的那样。在所示实施例中，除了其它部件之外，FET 82包括在基底80的第一表面(例如，上表面)中形成的导电发射极区域(例如，具有P-掺杂质类型)84、在基底80的第二表面(例如，下表面)中形成的导电集电极层(例如，具有N+-掺杂质类型)86、和在第一表面上形成且在发射极区域84之间延伸的导电栅极88。外延漂移区域(例如，具有N-掺杂质类型)90将发射极区域84和集电极层(或基底)86互连，如图4所示。虽然仅示出一个FET 82，但是应当理解的是，半导体基底80可包括在半导体基底80的部分上形成的多个这种FET(未示出)。还应当理解的是，多个半导体基底80(和/或电子模)可以用于形成图2和3所示且在上文描述的每个开关40-46和64-74。应当注意的是，虽然所示示例是竖直型结构开关，但是宽带隙装置也可以形成为横向结构，其中，栅极、漏极和源极均在基底的一侧(例如，顶侧)上。
再次参考图1，热交换器30在其外部处连接到框架，且虽然未详细示出，但是包括从中穿过的多个冷却通道，冷却通道容纳冷却流体(即，冷却剂)，例如水和/或乙二醇(即，防冻剂)。热交换器30(和/或其中的冷却通道)通过多个流体管道92与逆变器28、电动马达20、BDC 26、蓄电池22和FCPM 24流体连通。
图5以简化示意图的方式示出了可以在机动车10内实施的冷却系统94，机动车10使用热交换器30和与热交换器30流体连通的部件。如图所示，本领域技术人员将理解，在图5所示的冷却系统94中，BDC 26、逆变器28、蓄电池22、FCPM 24和电动马达20通过流体管道92与处于“单回路”配置的热交换器30流体连通。即，BDC26、逆变器28、蓄电池22、FCPM 24和电动马达20中的每个与热交换器30直接流体连通，同时也彼此直接流体连通。换句话说，流体管道92形成BDC 26、逆变器28、蓄电池22、FCPM 24和电动马达20中的每个之间的流体通路，允许流体流经热交换器30。
再次参考图1，电子控制系统18与马达20、蓄电池22、FCPM 24、DC/DC变换器系统26和逆变器28操作性连通。虽然未详细示出，但是电子控制系统18包括各种传感器和机动车控制模块或电子控制单元(ECU)(例如BDC控制器、逆变器控制模块和车辆控制器)、以及包括存储在其上(或在其它计算机可读介质中)的指令的至少一个处理器和/或存储器，用于执行下文所述的过程和方法。虽然未示出，但是在其它实施例中，独立控制器可以在变换器和逆变器中的每个处一体形成。
在操作期间，仍参考图1，机动车10以已知的方式通过借助于电动马达20以交替方式使用来自于蓄电池22和FCPM 24的功率和/或借助于蓄电池28和电动马达20同时地使用逆变器28和/或BDC 26来提供功率给车轮16而操作。
使用宽带隙晶体管的一个优势在于，与常规的基于硅的晶体管相比时，逆变器28和/或BDC 26操作的频率可以显著地增加，同时提供改进的效率。例如，在一个模拟试验中，在与以10kHz操作的基于硅的晶体管相比时，以10千赫(kHz)和100kHz操作的基于氮化镓的晶体管展现了效率的改进。与使用常规的基于硅的晶体管的逆变器的较低频率操作相比，逆变器28的操作的增加频率减少了提供给电动马达20的AC波形中的脉动电流，从而改进了电动马达20的效率，这减少了功率消耗，且在混合动力电动车辆的情况下减少了燃料消耗。
另一个优势在于，由于增加的操作频率，在逆变器28和/或BDC中可以使用较小和较轻的部件。例如，由于与使用常规硅晶体管的变换器中使用的频率相比频率增加，因而在BDC 26中使用的变换器电感器(例如，电感器48)的质量可以减少。结果，减少制造成本，且进一步减少功率消耗。
进一步的优势在于，由于宽带隙以高于常规的基于硅的晶体管的温度操作，因而，可以使用单回路冷却系统，例如图5所示。结果，进一步减少制造成本，功率消耗也是如此。
虽然已经在上述详细描述中阐述了至少一个示例性实施例，但应当理解存在大量的变型。还应当理解的是，示例性实施例或多个示例性实施例仅仅是示例，并不意在以任何方式限制本发明的范围、应用或配置。相反，上述详细描述将为本领域的技术人员提供实施示例性实施例或多个示例性实施例的便捷路径。应当理解的是，可对元件的功能及设置进行各种改变而不脱离由所附权利要求及其合法等价物界定的本发明的操作。
Claims (10)
1.一种机动车功率电子器件系统，包括：
支撑构件；和
安装到所述支撑构件上的至少一个电子模，所述至少一个电子模上形成有集成电路，所述集成电路包括至少一个宽带隙晶体管。
2.根据权利要求1所述的机动车功率电子器件系统，其中，所述至少一个电子模包括基底，所述基底包括宽带隙半导体材料。
3.根据权利要求2所述的机动车功率电子器件系统，其中，所述宽带隙半导体材料具有大于1电子伏特(eV)的电子带隙。
4.根据权利要求3所述的机动车功率电子器件系统，其中，所述宽带隙半导体材料包括氮化镓、碳化硅或其组合。
5.根据权利要求4所述的机动车功率电子器件系统，还包括至少一个二极管，所述至少一个二极管安装到所述支撑构件且被联接到所述至少一个宽带隙晶体管。
6.根据权利要求5所述的机动车功率电子器件系统，其中，所述机动车功率逆变器是直流-交流(DC/AC)功率逆变器。
7.根据权利要求5所述的机动车功率电子器件系统，其中，所述机动车功率电子器件是直流-直流(DC/DC)功率变换器。
8.根据权利要求7所述的机动车功率电子器件系统，还包括被联接到所述至少一个宽带隙晶体管的电感器。
9.一种机动车功率电子器件推进系统，包括：
支撑构件；和
安装到所述支撑构件上的多个电子模，每个电子模包括基底，所述基底上形成有集成电路，每个电子模的基底包括宽带隙半导体材料，每个集成电路包括至少一个宽带隙晶体管。
10.一种机动车推进系统，包括：
电动马达；
至少一个直流(DC)功率供应源；
被联接到所述电动马达和所述至少一个DC功率供应源的功率逆变器，所述功率逆变器包括：
支撑构件；和
安装到所述支撑构件上的至少一个电子模，所述至少一个电子模上形成有集成电路，所述集成电路包括至少一个宽带隙晶体管；以及
控制器，所述控制器与所述功率逆变器操作性连通且被联接到所述电动马达和所述至少一个DC功率供应源，所述控制器配置成操作所述至少一个宽带隙晶体管。
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