CN102545479B - 集成的电机和碳化硅功率变换器组件及其制造方法 - Google Patents

集成的电机和碳化硅功率变换器组件及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种集成的电机和碳化硅功率变换器组件及其制造方法。一种电力驱动系统，包括：电机，该电机包括转子和定子；功率变换器，该功率变换器电联接到电机并被配置成将直流链路电压转变为交流输出电压以驱动电机；以及单个冷却回路，其中，电机和功率变换器集成到该单个冷却回路中。

Description

集成的电机和碳化硅功率变换器组件及其制造方法
技术领域
本发明的实施例大体上涉及电机，且更具体而言，涉及集成在单个冷却回路内的电机和功率变换器，其中功率变换器包括碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。
背景技术
对高功率密度和高效率电机(即电动马达和发电机)的需求长期以来一直在多种应用中普遍存在，尤其是在混合动力和/或电动车辆牵引应用中。由于能源供应和环境方面的原因，生产既高效又可靠、对普通消费者来说价格还合理的混合-电动和/或电动车辆的动机越来越强。然而，可用于混合-电动和电动车辆的驱动马达技术通常成本过高，从而降低了消费者的承受能力或制造商的盈利能力其中之一(或两者)。
大多数可商购获得的混合-电动和电动车辆依靠用于牵引应用的内置永磁体(IPM)电机，因为已经发现IPM电机在较宽的速度范围内具有高功率密度和高效率，并且也容易封装在前轮驱动车辆中。然而，IPM电机不是用于牵引应用的唯一电机。其它类型的电机(例如感应电机)具有使其对于特定牵引应用而言合乎需要的某些优点。
不考虑所用电机的类型，需要各种功率电子器件在操作期间为电机供电。这些功率电子器件通常包括可控硅整流器(SCR)、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)和/或场效应晶体管(FET)。在混合-电动和/或电动车辆应用中，通常可由电池或包括电池或其它能量变换器的电源系统获得直流电源。功率变换器被用来将这种功率转变为用于驱动车辆的一个或多个电动马达的交流(AC)波形。电动马达又用来驱动传动元件以驱动车辆。
虽然功率电子器件对于混合-电动和电力驱动系统的功能而言是必需的，但其在这类应用中的尺寸和布置存在固有的局限性。由于在电机周围的区域内的环境条件(例如，电机在操作期间产生的热量)不同，该系统的功率变换器通常安装在距离与之联接的电机相对较远处。这种远距离的安装点有助于防止因过热而导致的功率变换器内的部件失效。然而，这种远距离安装也存在几个缺点。一个缺点是由于延长了使功率变换器与电机联接所需的电缆连接而增加了电磁干扰(EMI)。另一个缺点是需要为功率变换器本身提供专用冷却回路-与用于电机的任何冷却回路完全分开的冷却回路。这种分开的冷却回路显著增加了整个系统的成本、重量和复杂性，并且增加了系统的总体尺寸。
因此，将合乎需要的是具有一种制造集成到单个冷却回路内的电动马达和功率变换器的设备和方法。
发明内容
根据本发明的一个方面，示出了一种电力驱动系统，该电力驱动系统包括：电机，该电机包括转子和定子；功率变换器，该功率变换器电联接到电机并被配置成将直流链路电压转变为交流输出电压以驱动电机；以及单个冷却回路，其中，电机和功率变换器集成到该单个冷却回路中。
根据本发明的另一方面，示出了一种制造电力驱动系统的方法，该方法包括下列步骤：提供具有多个碳化硅(SiC)开关装置的碳化硅(SiC)功率变换器，该SiC功率变换器可联接到电源；提供具有转子和定子的电机；将SiC功率变换器联接到电机以驱动该电机；以及提供冷却回路，其中，SiC功率变换器和电机集成到该冷却回路中。
根据本发明的另一方面，示出了一种车辆驱动系统，该车辆驱动系统包括：马达，该马达包括转子和定子；直流链路；功率变换器，该功率变换器电联接到直流链路和马达之间以驱动马达，其中，该功率变换器包括多个碳化硅(SiC)开关装置；以及冷却回路，其中，马达和功率变换器集成到冷却回路中。
各种其它特征和优点从下述详细描述和附图将变得显而易见。
附图说明
附图示出了目前构思到的用于实施本发明的实施例。
在附图中：
图1示出了常规的电机驱动系统。
图2示出了根据本发明的一个实施例的电机驱动系统。
图3是用于根据本发明的一个实施例的电机驱动系统的冷却回路的示意图。
具体实施方式
图1示出了一种常规的三相电机驱动系统10。系统10包括提供直流输入电压的直流链路12，直流输入电压被转变或逆变为向交流电机14供电的交流波形。输入滤波电容器16跨过直流链路12而联接，以用于在电能从直流链路12流向交流电机14时在直流链路12上过滤电压VDC。这种电能流向常常被称为在“马达驱动”模式下工作。当电能流向为从电机14到功率变换器18时，功率变换器18的输入电压为来自电机14的交流，同时来自功率变换器18的输出为在直流链路12上的直流电压。电能从交流电机14流到功率变换器18时的工作常常被称为在再生制动模式下工作，该模式可例如在希望在下坡道上保持给定的速度值时或当使车辆减速时用于车辆中。功率变换器18从直流链路12接收输入电压。功率变换器18为每相支路具有两个串联开关装置的典型三相逆变器。例如，装置20和22形成第一相支路，装置24和26形成第二相支路，而装置28和30形成第三相支路。装置20-30为常规硅半导体开关装置，例如，诸如硅IGBT、MOSFET、硅双极达林顿(Darlington)功率晶体管、GTO、SCR或IGCT型装置。二极管32、34、36、38、40、42以反平行关系横跨相应的硅开关装置20-30而联接。
图2示出了根据本发明的一个实施例的电机驱动系统44。驱动系统44包括具有直流源电压VS 48的直流链路46。驱动系统44包括提供直流源电压VS 48的电源50。在一个实施例中，电源50包括交流源52以及被配置成将交流源52的电压转变为直流链路或源电压VS的整流器54。在另一个实施例(未示出)中，电源50包括直流电源54，例如电池、燃料电池、具有相关联的功率电子变换器的飞轮。在又一实施例中，电源50包括直流电源52，例如电池、燃料电池、超级电容器、具有连接到双向直流-直流电压转换器54的相关联的电力电子控制器的飞轮，直流-直流电压转换器54将源电压升压至直流链路或源电压VS。直流链路46将直流输出电压VDC 56供应至功率变换器或逆变器58。输入滤波电容器60被显示为在正直流轨道62和负直流轨道64之间，并用来为来自电源50的高频电流提供滤波功能，以确保正轨道62和负轨道64之间的电能质量。
功率变换器58接收来自直流链路46的直流输入电压VDC 56，并且(直流输入电压VDC 56)被转变或逆变，以便提供用于驱动电机66的合适形式的交流电，如下文详细描述。
根据一个实施例，功率变换器58为具有多个开关装置68、70、72、74、76、78的三相直流-交流逆变器。每个开关装置68-78包括碳化硅(SiC)MOSFET 80、82、84、86、88、90以及相关联的反平行二极管92、94、96、98、100、102。
SiC是一种晶体物质，其具有使其成为用于高电压和高功率应用的有吸引力的硅替代品的材料特性。例如，SiC具有提供非常低的漏电流的较大带隙，这有利于在高温下工作。事实上，在SiC基底上制造的半导体装置能承受超过200摄氏度的温度。SiC还具有为硅的大约10倍的高的击穿场强(breakdown field)以及为硅的大约3倍的导热率，从而允许为SiC电路提供更高的功率密度。此外，SiC的高电子迁移率使得能进行高速开关。因此，SiC已被视为用于制造下一代功率半导体装置的有利材料。此类装置包括例如肖特基(Schottky)二极管、半导体闸流管和MOSFET。
在图2中从左向右移动，开关装置68、70与第一输出相104相关联，开关装置72、74与第二输出相106相关联，开关装置76、78与第三输出相108相关联。虽然图2中示出了三相功率变换器，但本领域技术人员将会理解，本发明的实施例同样适用于任何多相功率变换器。例如，备选实施例包括具有不同相数的构造，例如n相，其中n＝1、2、4、5或更大的数，其中功率变换器的每一相包括类似于装置68、70的多个开关装置，每个开关装置都具有相关联的类似于二极管92、94的反平行二极管。
功率变换器58被配置成驱动电机66。在一个实施例中，电机66被配置成具有永磁体转子110和定子112的永磁体电机。然而，在备选实施例中，电机66可被配置成感应电机或能够在牵引应用中操作的任何其它合适的电机。此外，电机66也可联接到辅助动力装置(APU)内的热力发动机，其用于产生电能而有助于混合-电动车辆(HEV)或插入式混合-电动车辆(PHEV)的工作。
如前所述，在SiC基底上制造的半导体装置能承受超过200摄氏度的温度。因此，SiC MOSFET 86-96具有至少200摄氏度的额定温度，该额定温度显著高于常规功率电子器件的额定温度。虽然联接到电机的常规功率变换器安装在离电机很大距离处，并且由于功率电子器件的高温敏感性而装有其自己的冷却回路，但装有SiC MOSFET80-90的功率变换器58不需要这种远距离布置。
因此，参照图3，示出了本发明的另一个实施例。图3示出了驱动系统200的示意图，该驱动系统包括具有冷却剂输入204和冷却剂输出206的单个冷却回路202。经由冷却剂输入204进入单个冷却回路202的冷却剂可为任何合适的冷却剂(例如液体、空气等)。特别地，冷却回路202中使用的冷却剂可为防冻液或汽车变速器流体。电机208设置在冷却回路202内。功率变换器210联接到电机208，并且也设置在冷却回路202内。功率变换器210显示为具有与电机208的三相连接，但本发明不限于这种连接。例如，功率变换器210以及电机208也被设想为使用其它数量的多个相，包括3、5、7、9、或甚至更高数量的相。
虽然在图3中未示出，但将理解，功率变换器210被配置成类似于如关于图2所示出和描述的功率变换器58。也就是说，功率变换器210包括多个位于其中的SiC MOSFET，SiCMOSFET具有至少200摄氏度的额定温度和较低的开关损耗。在一个实施例中，设想了功率变换器210和将源电压52升压至直流链路46的双向直流-直流电压变换器54的封装可以完全集成到电机的壳体内并用单个冷却回路进行冷却。还设想了双向直流-直流电压变换器54内的每个开关装置(未示出)包括碳化硅(SiC)MOSFET和相关联的反平行二极管，其具有与功率变换器210类似的热和高频开关能力。由于这些独特的特征，功率变换器210能够与电机208完全集成到冷却回路202内，因为功率变换器210不向冷却回路增加任何明显的热负荷。功率变换器210内的SiC MOSFET的高额定温度也使功率变换器210能紧靠电机208而布置。事实上，虽然在图3中未示出，但功率变换器210可与电机208集成到相同的壳体内，从而形成更紧凑和简化的驱动系统。单个冷却回路202被配置成将电机208和功率变换器210的温度调节至最高150摄氏度，该温度恰当地处于这两种装置的额定温度内。
另外，虽然在图3中未示出，但将理解，驱动系统200还包括经由直流链路联接到功率变换器210的电压源(例如，电池、超级电容器、飞轮等中的至少一个)，如关于图2所示出和描述的。电压源将要设置在单个冷却回路202的外部。
当采用如图3所示的单个冷却回路202时，可显著降低驱动系统的总重量、成本和复杂性。除了通过将电机208和功率变换器210合并到单个冷却回路202中可能产生的降低成本、重量和复杂性的有益效果之外，与常规电力驱动系统相比，驱动系统200还提供了电磁干扰(EMI)的减少。这种EMI的减少是由于能够将功率变换器210安装在非常靠近电机208处(或与之集成)，这样就消除了对于用来联接功率变换器和电机的较长屏蔽电缆的需要。已经知道，这些较长的屏蔽电缆以及功率变换器和电机之间通常延长的距离会导致大量的EMI。因此，消除对这些电缆的需要减少了EMI。
因此，根据本发明的一个实施例，示出了一种电力驱动系统，该电力驱动系统包括：电机，该电机包括转子和定子；功率变换器，该功率变换器电联接到电机并被配置成将直流链路电压转变为交流输出电压以驱动电机；以及单个冷却回路，其中，电机和功率变换器集成到单个冷却回路中。
根据本发明的另一个实施例，示出了一种制造电力驱动系统的方法，该方法包括下列步骤：提供具有多个碳化硅(SiC)开关装置的碳化硅(SiC)功率变换器，该SiC功率变换器可联接到电源；提供具有转子和定子的电机；将SiC功率变换器联接到电机以驱动电机；以及提供冷却回路，其中，SiC功率变换器和电机集成到冷却回路中。
根据本发明的又一实施例，示出了一种车辆驱动系统，该车辆驱动系统包括：马达，该马达包括转子和定子；直流链路；功率变换器，该功率变换器电联接到直流链路和马达之间以驱动马达，其中功率变换器包括多个碳化硅(SiC)开关装置；以及冷却回路，其中马达和功率变换器集成到冷却回路中。
该书面描述使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使本领域任何技术人员能实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何包括在内的方法。本发明的可获得专利保护的范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果这种其它示例具有与权利要求的字面语言没有不同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的字面语言无实质差别的等同结构元件，则这种其它示例意图在权利要求的范围内。

Claims (10)

1.一种电力驱动系统(44)，包括：
电机(66,208)，其包括转子(110)和定子(112)；
功率变换器(58,210)，其电联接到所述电机(66,208)并被配置成将直流链路电压转变为交流输出电压以驱动所述电机(66,208)；以及
单个冷却回路(202)，其中，所述电机(66,208)和所述功率变换器(58,210)集成到所述单个冷却回路(202)内，其中，所述单个冷却回路(202)具有冷却剂输入(204)、冷却剂输出(206)以及外壳，其中所述电机(66,208)和所述功率变换器(58,210)两者都容纳在所述外壳内，并且利用从所述冷却剂输入(204)传送到所述外壳中且从所述冷却剂输出(206)离开的冷却剂来冷却。
2.根据权利要求1所述的电力驱动系统(44)，其特征在于，所述功率变换器(58,210)包括多个碳化硅(SiC)开关装置(80,82,84,86,88,90)。
3.根据权利要求2所述的电力驱动系统(44)，其特征在于，所述多个SiC开关装置(80,82,84,86,88,90)包括多个SiC金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。
4.根据权利要求3所述的电力驱动系统(44)，其特征在于，所述多个SiC MOSFET具有至少200摄氏度的额定温度。
5.根据权利要求1所述的电力驱动系统(44)，其特征在于，所述单个冷却回路(202)被配置成将所述电机(66,208)和所述功率变换器(58,210)的所述温度调节至最高150摄氏度。
6.根据权利要求1所述的电力驱动系统(44)，其特征在于，所述电机(66,208)是永磁体电机和感应电机中的一个。
7.根据权利要求6所述的电力驱动系统(44)，其特征在于，所述电机(66,208)由3相、5相、7相和9相中的至少一种构成。
8.根据权利要求1所述的电力驱动系统(44)，其特征在于，所述功率变换器(58,210)还包括以反平行布置方式与多个SiC MOSFET相连的多个二极管(92,94,96,98,100,102)。
9.根据权利要求1所述的电力驱动系统，其特征在于，所述功率变换器(58,210)由3相、5相、7相和9相中的至少一种构成。
10.根据权利要求1所述的电力驱动系统，其特征在于，所述功率变换器(58,210)完全集成到所述电机(66,208)的壳体内。
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