專利名稱：集成的電機(jī)和碳化硅功率變換器組件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的實(shí)施例大體上涉及電機(jī)，且更具體而言，涉及集成在單個(gè)冷卻回路內(nèi)的電機(jī)和功率變換器，其中功率變換器包括碳化硅金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管 (MOSFET)。
背景技術(shù)：
對高功率密度和高效率電機(jī)(即電動馬達(dá)和發(fā)電機(jī))的需求長期以來一直在多種應(yīng)用中普遍存在，尤其是在混合動力和/或電動車輛牽引應(yīng)用中。由于能源供應(yīng)和環(huán)境方面的原因，生產(chǎn)既高效又可靠、對普通消費(fèi)者來說價(jià)格還合理的混合-電動和/或電動車輛的動機(jī)越來越強(qiáng)。然而，可用于混合-電動和電動車輛的驅(qū)動馬達(dá)技術(shù)通常成本過高，從而降低了消費(fèi)者的承受能力或制造商的盈利能力其中之一(或兩者)。大多數(shù)可商購獲得的混合-電動和電動車輛依靠用于牽引應(yīng)用的內(nèi)置永磁體 (IPM)電機(jī)，因?yàn)橐呀?jīng)發(fā)現(xiàn)IPM電機(jī)在較寬的速度范圍內(nèi)具有高功率密度和高效率，并且也容易封裝在前輪驅(qū)動車輛中。然而，IPM電機(jī)不是用于牽引應(yīng)用的唯一電機(jī)。其它類型的電機(jī)(例如感應(yīng)電機(jī))具有使其對于特定牽引應(yīng)用而言合乎需要的某些優(yōu)點(diǎn)。不考慮所用電機(jī)的類型，需要各種功率電子器件在操作期間為電機(jī)供電。這些功率電子器件通常包括可控硅整流器(SCR)、絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)和/或場效應(yīng)晶體管(FET)。在混合-電動和/或電動車輛應(yīng)用中，通?？捎呻姵鼗虬姵鼗蚱渌芰孔儞Q器的電源系統(tǒng)獲得直流電源。功率變換器被用來將這種功率轉(zhuǎn)變?yōu)橛糜隍?qū)動車輛的一個(gè)或多個(gè)電動馬達(dá)的交流(AC)波形。電動馬達(dá)又用來驅(qū)動傳動元件以驅(qū)動車輛。雖然功率電子器件對于混合-電動和電力驅(qū)動系統(tǒng)的功能而言是必需的，但其在這類應(yīng)用中的尺寸和布置存在固有的局限性。由于在電機(jī)周圍的區(qū)域內(nèi)的環(huán)境條件(例如，電機(jī)在操作期間產(chǎn)生的熱量)不同，該系統(tǒng)的功率變換器通常安裝在距離與之聯(lián)接的電機(jī)相對較遠(yuǎn)處。這種遠(yuǎn)距離的安裝點(diǎn)有助于防止因過熱而導(dǎo)致的功率變換器內(nèi)的部件失效。然而，這種遠(yuǎn)距離安裝也存在幾個(gè)缺點(diǎn)。一個(gè)缺點(diǎn)是由于延長了使功率變換器與電機(jī)聯(lián)接所需的電纜連接而增加了電磁干擾(EMI)。另一個(gè)缺點(diǎn)是需要為功率變換器本身提供專用冷卻回路-與用于電機(jī)的任何冷卻回路完全分開的冷卻回路。這種分開的冷卻回路顯著增加了整個(gè)系統(tǒng)的成本、重量和復(fù)雜性，并且增加了系統(tǒng)的總體尺寸。因此，將合乎需要的是具有一種制造集成到單個(gè)冷卻回路內(nèi)的電動馬達(dá)和功率變換器的設(shè)備和方法。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，示出了一種電力驅(qū)動系統(tǒng)，該電力驅(qū)動系統(tǒng)包括電機(jī)， 該電機(jī)包括轉(zhuǎn)子和定子；功率變換器，該功率變換器電聯(lián)接到電機(jī)并被配置成將直流鏈路電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣鬏敵鲭妷阂则?qū)動電機(jī)；以及單個(gè)冷卻回路，其中，電機(jī)和功率變換器集成到該單個(gè)冷卻回路中。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，示出了一種制造電力驅(qū)動系統(tǒng)的方法，該方法包括下列步驟提供具有多個(gè)碳化硅(SiC)開關(guān)裝置的碳化硅(SiC)功率變換器，該SiC功率變換器可聯(lián)接到電源；提供具有轉(zhuǎn)子和定子的電機(jī)；將SiC功率變換器聯(lián)接到電機(jī)以驅(qū)動該電機(jī)； 以及提供冷卻回路，其中，SiC功率變換器和電機(jī)集成到該冷卻回路中。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，示出了一種車輛驅(qū)動系統(tǒng)，該車輛驅(qū)動系統(tǒng)包括馬達(dá)， 該馬達(dá)包括轉(zhuǎn)子和定子；直流鏈路；功率變換器，該功率變換器電聯(lián)接到直流鏈路和馬達(dá)之間以驅(qū)動馬達(dá)，其中，該功率變換器包括多個(gè)碳化硅(SiC)開關(guān)裝置；以及冷卻回路，其中，馬達(dá)和功率變換器集成到冷卻回路中。各種其它特征和優(yōu)點(diǎn)從下述詳細(xì)描述和附圖將變得顯而易見。


附圖示出了目前構(gòu)思到的用于實(shí)施本發(fā)明的實(shí)施例。在附圖中圖1示出了常規(guī)的電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)。圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)。圖3是用于根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的冷卻回路的示意圖。
具體實(shí)施例方式圖1示出了一種常規(guī)的三相電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)10。系統(tǒng)10包括提供直流輸入電壓的直流鏈路12，直流輸入電壓被轉(zhuǎn)變或逆變?yōu)橄蚪涣麟姍C(jī)14供電的交流波形。輸入濾波電容器16跨過直流鏈路12而聯(lián)接，以用于在電能從直流鏈路12流向交流電機(jī)14時(shí)在直流鏈路 12上過濾電壓VDC。這種電能流向常常被稱為在“馬達(dá)驅(qū)動”模式下工作。當(dāng)電能流向?yàn)閺碾姍C(jī)14到功率變換器18時(shí)，功率變換器18的輸入電壓為來自電機(jī)14的交流，同時(shí)來自功率變換器18的輸出為在直流鏈路12上的直流電壓。電能從交流電機(jī)14流到功率變換器 18時(shí)的工作常常被稱為在再生制動模式下工作，該模式可例如在希望在下坡道上保持給定的速度值時(shí)或當(dāng)使車輛減速時(shí)用于車輛中。功率變換器18從直流鏈路12接收輸入電壓。 功率變換器18為每相支路具有兩個(gè)串聯(lián)開關(guān)裝置的典型三相逆變器。例如，裝置20和22 形成第一相支路，裝置M和26形成第二相支路，而裝置觀和30形成第三相支路。裝置 20-30為常規(guī)硅半導(dǎo)體開關(guān)裝置，例如，諸如硅IGBT、M0SFET、硅雙極達(dá)林頓(Darlington) 功率晶體管、GT0、SCR或IGCT型裝置。二極管32、34、36、38、40、42以反平行關(guān)系橫跨相應(yīng)的硅開關(guān)裝置20-30而聯(lián)接。圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)44。驅(qū)動系統(tǒng)44包括具有直流源電壓Vs 48的直流鏈路46。驅(qū)動系統(tǒng)44包括提供直流源電壓Vs 48的電源50。在一個(gè)實(shí)施例中，電源50包括交流源52以及被配置成將交流源52的電壓轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麈溌坊蛟措妷篰的整流器M。在另一個(gè)實(shí)施例(未示出)中，電源50包括直流電源M，例如電池、燃料電池、具有相關(guān)聯(lián)的功率電子變換器的飛輪。在又一實(shí)施例中，電源50包括直流電源52，例如電池、燃料電池、超級電容器、具有連接到雙向直流-直流電壓轉(zhuǎn)換器M的相關(guān)聯(lián)的電力電子控制器的飛輪，直流-直流電壓轉(zhuǎn)換器M將源電壓升壓至直流鏈路或源電壓 \。直流鏈路46將直流輸出電壓Vdc 56供應(yīng)至功率變換器或逆變器58。輸入濾波電容器60被顯示為在正直流軌道62和負(fù)直流軌道64之間，并用來為來自電源50的高頻電流提供濾波功能，以確保正軌道62和負(fù)軌道64之間的電能質(zhì)量。功率變換器58接收來自直流鏈路46的直流輸入電壓Vdc 56，并且(直流輸入電壓 Vdc 56)被轉(zhuǎn)變或逆變，以便提供用于驅(qū)動電機(jī)66的合適形式的交流電，如下文詳細(xì)描述。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，功率變換器58為具有多個(gè)開關(guān)裝置68、70、72、74、76、78的三相直流-交流逆變器。每個(gè)開關(guān)裝置68-78包括碳化硅(SiC)MOSFET 80、82、84、86、88、90以及相關(guān)聯(lián)的反平行二極管92、94、96、98、100、102。SiC是一種晶體物質(zhì)，其具有使其成為用于高電壓和高功率應(yīng)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電流的較大帶隙，這有利于在高溫下工作。事實(shí)上，在SiC基底上制造的半導(dǎo)體裝置能承受超過200攝氏度的溫度。SiC還具有為硅的大約10倍的高的擊穿場強(qiáng)(breakdown field)以及為硅的大約3倍的導(dǎo)熱率，從而允許為SiC電路提供更高的功率密度。此外，SiC的高電子遷移率使得能進(jìn)行高速開關(guān)。因此，SiC已被視為用于制造下一代功率半導(dǎo)體裝置的有利材料。此類裝置包括例如肖特基 (Schottky) 二極管、半導(dǎo)體閘流管和MOSFET。在圖2中從左向右移動，開關(guān)裝置68、70與第一輸出相104相關(guān)聯(lián)，開關(guān)裝置72、 74與第二輸出相106相關(guān)聯(lián)，開關(guān)裝置76、78與第三輸出相108相關(guān)聯(lián)。雖然圖2中示出了三相功率變換器，但本領(lǐng)域技術(shù)人員將會理解，本發(fā)明的實(shí)施例同樣適用于任何多相功率變換器。例如，備選實(shí)施例包括具有不同相數(shù)的構(gòu)造，例如η相，其中η = 1、2、4、5或更大的數(shù)，其中功率變換器的每一相包括類似于裝置68、70的多個(gè)開關(guān)裝置，每個(gè)開關(guān)裝置都具有相關(guān)聯(lián)的類似于二極管92、94的反平行二極管。功率變換器58被配置成驅(qū)動電機(jī)66。在一個(gè)實(shí)施例中，電機(jī)66被配置成具有永磁體轉(zhuǎn)子Iio和定子112的永磁體電機(jī)。然而，在備選實(shí)施例中，電機(jī)66可被配置成感應(yīng)電機(jī)或能夠在牽引應(yīng)用中操作的任何其它合適的電機(jī)。此外，電機(jī)66也可聯(lián)接到輔助動力裝置(APU)內(nèi)的熱力發(fā)動機(jī)，其用于產(chǎn)生電能而有助于混合-電動車輛(HEV)或插入式混合-電動車輛(PHEV)的工作。如前所述，在SiC基底上制造的半導(dǎo)體裝置能承受超過200攝氏度的溫度。因此， SiC MOSFET 86-96具有至少200攝氏度的額定溫度，該額定溫度顯著高于常規(guī)功率電子器件的額定溫度。雖然聯(lián)接到電機(jī)的常規(guī)功率變換器安裝在離電機(jī)很大距離處，并且由于功率電子器件的高溫敏感性而裝有其自己的冷卻回路，但裝有SiC M0SFET80-90的功率變換器58不需要這種遠(yuǎn)距離布置。因此，參照圖3，示出了本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例。圖3示出了驅(qū)動系統(tǒng)200的示意圖，該驅(qū)動系統(tǒng)包括具有冷卻劑輸入204和冷卻劑輸出206的單個(gè)冷卻回路202。經(jīng)由冷卻劑輸入204進(jìn)入單個(gè)冷卻回路202的冷卻劑可為任何合適的冷卻劑(例如液體、空氣等)。 特別地，冷卻回路202中使用的冷卻劑可為防凍液或汽車變速器流體。電機(jī)208設(shè)置在冷卻回路202內(nèi)。功率變換器210聯(lián)接到電機(jī)208，并且也設(shè)置在冷卻回路202內(nèi)。功率變換器210顯示為具有與電機(jī)208的三相連接，但本發(fā)明不限于這種連接。例如，功率變換器 210以及電機(jī)208也被設(shè)想為使用其它數(shù)量的多個(gè)相，包括3、5、7、9、或甚至更高數(shù)量的相。雖然在圖3中未示出，但將理解，功率變換器210被配置成類似于如關(guān)于圖2所示出和描述的功率變換器58。也就是說，功率變換器210包括多個(gè)位于其中的SiC M0SFET,SiC MOSFET具有至少200攝氏度的額定溫度和較低的開關(guān)損耗。在一個(gè)實(shí)施例中，設(shè)想了功率變換器210和將源電壓52升壓至直流鏈路46的雙向直流-直流電壓變換器M的封裝可以完全集成到電機(jī)的殼體內(nèi)并用單個(gè)冷卻回路進(jìn)行冷卻。還設(shè)想了雙向直流-直流電壓變換器M內(nèi)的每個(gè)開關(guān)裝置(未示出)包括碳化硅(SiC)MOSFET和相關(guān)聯(lián)的反平行二極管，其具有與功率變換器210類似的熱和高頻開關(guān)能力。由于這些獨(dú)特的特征，功率變換器210能夠與電機(jī)208完全集成到冷卻回路202內(nèi)，因?yàn)楣β首儞Q器210不向冷卻回路增加任何明顯的熱負(fù)荷。功率變換器210內(nèi)的SiC MOSFET的高額定溫度也使功率變換器210 能緊靠電機(jī)208而布置。事實(shí)上，雖然在圖3中未示出，但功率變換器210可與電機(jī)208集成到相同的殼體內(nèi)，從而形成更緊湊和簡化的驅(qū)動系統(tǒng)。單個(gè)冷卻回路202被配置成將電機(jī)208和功率變換器210的溫度調(diào)節(jié)至最高150攝氏度，該溫度恰當(dāng)?shù)靥幱谶@兩種裝置的額定溫度內(nèi)。另外，雖然在圖3中未示出，但將理解，驅(qū)動系統(tǒng)200還包括經(jīng)由直流鏈路聯(lián)接到功率變換器210的電壓源(例如，電池、超級電容器、飛輪等中的至少一個(gè))，如關(guān)于圖2所示出和描述的。電壓源將要設(shè)置在單個(gè)冷卻回路202的外部。當(dāng)采用如圖3所示的單個(gè)冷卻回路202時(shí)，可顯著降低驅(qū)動系統(tǒng)的總重量、成本和復(fù)雜性。除了通過將電機(jī)208和功率變換器210合并到單個(gè)冷卻回路202中可能產(chǎn)生的降低成本、重量和復(fù)雜性的有益效果之外，與常規(guī)電力驅(qū)動系統(tǒng)相比，驅(qū)動系統(tǒng)200還提供了電磁干擾(EMI)的減少。這種EMI的減少是由于能夠?qū)⒐β首儞Q器210安裝在非?？拷姍C(jī)208處(或與之集成)，這樣就消除了對于用來聯(lián)接功率變換器和電機(jī)的較長屏蔽電纜的需要。已經(jīng)知道，這些較長的屏蔽電纜以及功率變換器和電機(jī)之間通常延長的距離會導(dǎo)致大量的EMI。因此，消除對這些電纜的需要減少了 EMI。因此，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，示出了一種電力驅(qū)動系統(tǒng)，該電力驅(qū)動系統(tǒng)包括電機(jī)，該電機(jī)包括轉(zhuǎn)子和定子；功率變換器，該功率變換器電聯(lián)接到電機(jī)并被配置成將直流鏈路電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣鬏敵鲭妷阂则?qū)動電機(jī)；以及單個(gè)冷卻回路，其中，電機(jī)和功率變換器集成到單個(gè)冷卻回路中。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，示出了一種制造電力驅(qū)動系統(tǒng)的方法，該方法包括下列步驟提供具有多個(gè)碳化硅(SiC)開關(guān)裝置的碳化硅(SiC)功率變換器，該SiC功率變換器可聯(lián)接到電源；提供具有轉(zhuǎn)子和定子的電機(jī)；將SiC功率變換器聯(lián)接到電機(jī)以驅(qū)動電機(jī)；以及提供冷卻回路，其中，SiC功率變換器和電機(jī)集成到冷卻回路中。根據(jù)本發(fā)明的又一實(shí)施例，示出了一種車輛驅(qū)動系統(tǒng)，該車輛驅(qū)動系統(tǒng)包括馬達(dá)，該馬達(dá)包括轉(zhuǎn)子和定子；直流鏈路；功率變換器，該功率變換器電聯(lián)接到直流鏈路和馬達(dá)之間以驅(qū)動馬達(dá)，其中功率變換器包括多個(gè)碳化硅(SiC)開關(guān)裝置；以及冷卻回路，其中馬達(dá)和功率變換器集成到冷卻回路中。該書面描述使用示例來公開本發(fā)明，包括最佳模式，并且還使本領(lǐng)域任何技術(shù)人員能實(shí)踐本發(fā)明，包括制造和使用任何裝置或系統(tǒng)以及執(zhí)行任何包括在內(nèi)的方法。本發(fā)明的可獲得專利保護(hù)的范圍由權(quán)利要求限定，并且可包括本領(lǐng)域技術(shù)人員想到的其它示例。 如果這種其它示例具有與權(quán)利要求的字面語言沒有不同的結(jié)構(gòu)元件，或者如果它們包括與權(quán)利要求的字面語言無實(shí)質(zhì)差別的等同結(jié)構(gòu)元件，則這種其它示例意圖在權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種電力驅(qū)動系統(tǒng)(44)，包括電機(jī)(66，208)，其包括轉(zhuǎn)子(110)和定子(112)；功率變換器(58，210)，其電聯(lián)接到所述電機(jī)(66，208)并被配置成將直流鏈路電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣鬏敵鲭妷阂则?qū)動所述電機(jī)(66，208)；以及單個(gè)冷卻回路002)，其中，所述電機(jī)(66，208)和所述功率變換器(58，210)集成到所述單個(gè)冷卻回路Q02)內(nèi)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電力驅(qū)動系統(tǒng)(44)，其特征在于，所述功率變換器(58，210) 包括多個(gè)碳化硅(SiC)開關(guān)裝置(80，82，84，86，88，90)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電力驅(qū)動系統(tǒng)(44)，其特征在于，所述多個(gè)SiC開關(guān)裝置 (80，82，84，86，88，90)包括多個(gè)SiC金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的電力驅(qū)動系統(tǒng)(44)，其特征在于，所述多個(gè)SiCMOSFET具有至少200攝氏度的額定溫度。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電力驅(qū)動系統(tǒng)(44)，其特征在于，所述單個(gè)冷卻回路(202) 被配置成將所述電機(jī)(66，208)和所述功率變換器(58，210)的所述溫度調(diào)節(jié)至最高150攝氏度ο
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電力驅(qū)動系統(tǒng)(44)，其特征在于，所述電機(jī)(66，208)是永磁體電機(jī)和感應(yīng)電機(jī)中的一個(gè)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的電力驅(qū)動系統(tǒng)04)，其特征在于，所述電機(jī)(66，208)由3相、 5相、7相和9相中的至少一種構(gòu)成。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電力驅(qū)動系統(tǒng)(44)，其特征在于，所述功率變換器(58，210) 還包括以反平行布置方式與所述多個(gè)SiCMOSFET相連的多個(gè)二極管(92，94，96，98，100， 102)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電力驅(qū)動系統(tǒng)，其特征在于，所述功率變換器(58，210)由3 相、5相、7相和9相中的至少一種構(gòu)成。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電力驅(qū)動系統(tǒng)，其特征在于，所述功率變換器(58，210)完全集成到所述電機(jī)(66，208)的殼體內(nèi)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種集成的電機(jī)和碳化硅功率變換器組件及其制造方法。一種電力驅(qū)動系統(tǒng)，包括電機(jī)，該電機(jī)包括轉(zhuǎn)子和定子；功率變換器，該功率變換器電聯(lián)接到電機(jī)并被配置成將直流鏈路電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣鬏敵鲭妷阂则?qū)動電機(jī)；以及單個(gè)冷卻回路，其中，電機(jī)和功率變換器集成到該單個(gè)冷卻回路中。
文檔編號H02M7/48GK102545479SQ20111038585
公開日2012年7月4日 申請日期2011年11月18日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月19日
發(fā)明者A·M·F·艾爾-雷菲, R·D·金 申請人:通用電氣公司