專利名稱：高功率密度、高反emf永磁電機(jī)及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的實(shí)施例通常涉及具有高功率密度的永磁電機(jī)，以及更具體地，涉及一種在高功率密度、高反電動(dòng)勢(shì)(emf)永磁電機(jī)中、通過提供包括碳化硅金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)的功率轉(zhuǎn)換器來防止故障狀態(tài)的方法和系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
高功率密度和高效率電機(jī)(即，電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī))的需求已經(jīng)長(zhǎng)期普遍地用于多種應(yīng)用，尤其用于混合和/或電動(dòng)車輛牽引應(yīng)用。出于能源供應(yīng)和環(huán)境的原因，生產(chǎn)既高效又可靠、并且對(duì)普通消費(fèi)者來說價(jià)位合理的混合電動(dòng)和/或電動(dòng)車輛的動(dòng)力逐漸增加。然而，可用于混合電動(dòng)和電動(dòng)車輛的驅(qū)動(dòng)電機(jī)技術(shù)通常成本極高，從而降低消費(fèi)者的負(fù)擔(dān)能力或制造商的盈利中的一個(gè)(或兩者)。大部分市售混合電動(dòng)和電動(dòng)車輛依靠?jī)?nèi)部永磁體(IPM)電機(jī)作為牽引應(yīng)用，因?yàn)橐呀?jīng)發(fā)現(xiàn)IPM電機(jī)在很寬的速度范圍上具有高功率密度和高效率，并且也易于裝配在前輪驅(qū)動(dòng)車輛中。然而，為了獲得這種高功率密度，IPM電機(jī)必須使用昂貴的燒結(jié)高能產(chǎn)品磁體。 而且，IPM電機(jī)在高速(例如，14，OOOrpm)操作以獲得最佳功率密度。永磁電機(jī)的功率密度被定義為功率輸出與永磁電機(jī)的體積之比。通常期望相對(duì)高的功率密度(如，相對(duì)于體積的高功率輸出)。高功率密度允許永磁電機(jī)或者對(duì)于給定功率輸出具有更小的整體尺寸，或者對(duì)于給定尺寸具有更高的輸出。隨著永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)子速度的提高，定子中產(chǎn)生的電壓(稱作“反emf”)增加。這反過來需要施加越來越高的終端電壓來產(chǎn)生期望的轉(zhuǎn)矩。對(duì)于永磁電機(jī)，電機(jī)的反emf與速度成比例。如果在最大速度處的峰值線間反emf比DC鏈路電壓高，并且如果失去功率轉(zhuǎn)換器上的控制，永磁電機(jī)將開始在不受控制的發(fā)電(UCG)模式中操作。UCG發(fā)生在六個(gè)逆變器開關(guān)的控制柵極信號(hào)都被關(guān)閉或斷開的情況下。在這種狀況期間，電機(jī)通過逆變器開關(guān)的反并聯(lián)二極管連接到DC電源。反并聯(lián)二極管建立了供電流流過的潛在路徑，這取決于電機(jī)的操作狀態(tài)和DC源電壓。在這種情況下，永磁電機(jī)將作為發(fā)電機(jī)將旋轉(zhuǎn)功率轉(zhuǎn)換成電流，并且通過功率轉(zhuǎn)換器中的反并聯(lián)二極管開始將能量轉(zhuǎn)儲(chǔ)(dump)到DC鏈路中，從而導(dǎo)致 DC鏈路電壓增加。如果沒有消耗這種能量，或者如果沒有限制DC鏈路電壓的增長(zhǎng)，DC鏈路電壓可能超過功率轉(zhuǎn)換器中的有源器件的額定電壓。為了最小化或防止UCG模式操作的發(fā)生，通常在電機(jī)的反emf上設(shè)置限制，或者與 DC鏈路并聯(lián)地增加附加的鉗位電路或消弧電路。然而，限制電機(jī)的反emf減小了功率或轉(zhuǎn)矩密度及電機(jī)的速度容量。而且，增加消弧電路增加了永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電路的附加成本和復(fù)雜性。也可以通過限制電機(jī)中的磁體的數(shù)量或相對(duì)強(qiáng)度來減小電機(jī)的反emf，這也負(fù)面地影響功率或轉(zhuǎn)矩密度。因此，期望能夠排除設(shè)置電機(jī)反emf限制，和/或排除增加消弧電路，從而使得在 UCG模式操作期間器件的額定電壓不被超越。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，一種電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，包括具有轉(zhuǎn)子和定子的永磁電機(jī)以及電耦合到永磁電機(jī)的功率轉(zhuǎn)換器，功率轉(zhuǎn)換器配置成將DC鏈路電壓轉(zhuǎn)換成AC輸出電壓以驅(qū)動(dòng)永磁電機(jī)。該功率轉(zhuǎn)換器包括多個(gè)SiC開關(guān)器件，其具有的額定電壓超過在永磁電機(jī)的最大速度處的永磁電機(jī)的峰值線間反emf。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，一種制造電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的方法，包括提供SiC功率轉(zhuǎn)換器的步驟，該SiC功率轉(zhuǎn)換器具有多個(gè)SiC開關(guān)器件并被耦合到電源。該方法還包括以下步驟提供永磁電機(jī)，該永磁電機(jī)在最大速度處具有的峰值線間反emf大于電源的DC鏈路電壓；以及將SiC功率轉(zhuǎn)換器耦合到永磁電機(jī)以驅(qū)動(dòng)永磁電機(jī)。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，一種車輛驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，包括具有永磁轉(zhuǎn)子和定子的電機(jī)。該驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)還包括DC鏈路和功率轉(zhuǎn)換器，該功率轉(zhuǎn)換器電耦合在DC鏈路和永磁電機(jī)之間以驅(qū)動(dòng)永磁電機(jī)。該功率轉(zhuǎn)換器包括多個(gè)SiC開關(guān)器件，這些SiC開關(guān)器件的額定操作電壓高于能夠在永磁電機(jī)的定子中產(chǎn)生的最大反emf。多種其它特征和優(yōu)點(diǎn)將從下面的詳細(xì)描述和附圖中變得明顯。


了目前預(yù)期實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的實(shí)施例。在附圖中圖1說明了傳統(tǒng)的永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；圖2說明了根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施例的高功率密度永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。
具體實(shí)施例方式圖1說明了傳統(tǒng)的三相永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)10。系統(tǒng)10包括DC鏈路12，其提供DC 輸入電壓，把DC輸入電壓轉(zhuǎn)換或逆變?yōu)锳C波形，從而給永磁電機(jī)14提供功率。耦合輸入濾波電容器16在DC鏈路12兩端上，用于濾波DC鏈路12上的電壓Vdco當(dāng)功率從DC鏈路 12流向AC永磁電機(jī)14時(shí)，功率轉(zhuǎn)換器18從DC鏈路12接收輸入電壓。這種功率流的方向通常被稱作操作在“電動(dòng)”模式。當(dāng)功率流的方向是從永磁電機(jī)14到功率轉(zhuǎn)換器18時(shí)， 功率轉(zhuǎn)換器18的輸入電壓是來自永磁電機(jī)14的AC，而功率轉(zhuǎn)換器18的輸出是DC鏈路12 上的DC電壓。功率流從AC永磁電機(jī)14到功率轉(zhuǎn)換器18的操作通常被稱為操作在再生制動(dòng)模式，例如，在車輛中，當(dāng)期望在下坡道上維持給定速度值時(shí)，或者當(dāng)車輛減速時(shí)，這種模式是有用的。功率轉(zhuǎn)換器18是典型的三相逆變器，其每個(gè)相支線(phase leg)具有兩個(gè)串聯(lián)連接的開關(guān)器件。例如，器件20和22形成第一相支線，器件M和沈形成第二相支線，以及器件28和30形成第三相支線。器件20-30是常規(guī)硅半導(dǎo)體開關(guān)器件，例如，硅IGBT、M0SFET、 硅雙極達(dá)林頓(Darlington)功率晶體管、GT0、SCR、或IGCT型器件。二極管32、34、36、38、 40,42以反并聯(lián)關(guān)系被耦合在各個(gè)硅開關(guān)器件20-30兩端上。圖2說明了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)44。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)44包括具有 DC源電壓Vs 48的DC鏈路46。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)44包括提供DC源電壓Vs 48的電源50。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)44優(yōu)選包括兩個(gè)接觸器(Cl，以)52、54，或至少一個(gè)接觸器Cl，以將DC鏈路46耦合到電
4源50，或者將DC鏈路46從電源50斷開。在一個(gè)實(shí)施例中，電源50包括AC源58和整流器 56，配置整流器56以將AC源58的電壓轉(zhuǎn)換成DC鏈路或源電壓Vs。在另一個(gè)實(shí)施例中，電源 50包括DC電源58，例如電池，燃料電池，或者具有關(guān)聯(lián)功率電子轉(zhuǎn)換器的飛輪(flywheel)。 在又一實(shí)施例中，電源50包括DC電源58，例如電池，燃料電池，超級(jí)電容器，或者具有關(guān)聯(lián)功率電子控制的飛輪，DC電源58耦合到雙向DC-DC電壓轉(zhuǎn)換器56，雙向DC-DC電壓轉(zhuǎn)換器 56將源電壓提高到DC鏈路或源電壓Vs。DC鏈路46提供DC輸出電壓Vdc 60到功率轉(zhuǎn)換器或逆變器62。在正DC軌(rail)66和負(fù)DC軌68之間圖示了輸入濾波電容器64，用來提供對(duì)來自電源50的高頻電流的濾波功能，以確保正軌和負(fù)軌66、68之間的功率質(zhì)量。如下面詳細(xì)描述的，功率轉(zhuǎn)換器62從DC鏈路46接收DC輸入電壓VDe 60并轉(zhuǎn)換該DC輸入電壓，以提供AC功率的合適形式來驅(qū)動(dòng)永磁電機(jī)70。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)44還包括控制器 72，其包括打開和關(guān)閉接觸器Cl和C252、54的裝置，其中接觸器Cl和C2 52,54的打開和關(guān)閉是基于來自\ 48，Vdc 60的感測(cè)的電壓輸入、來自電機(jī)70的速度傳感器輸入、加上操作員輸入、以及檢測(cè)的可能在功率轉(zhuǎn)換器62中發(fā)生的故障。控制器72還包括控制給雙向提升轉(zhuǎn)換器56的提升功率的命令的裝置。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，功率轉(zhuǎn)換器62是三相DC-AC逆變器，其具有多個(gè)開關(guān)器件74、 76、78、80、82、84。每個(gè)開關(guān)器件 74-84 包括碳化硅(SiC)MOSFET 86、88、90、92、94、96 和關(guān)聯(lián)的反并聯(lián)二極管 98、100、102、104、106、108。SiC是一種結(jié)晶物質(zhì)，其具有用于高壓和高功率應(yīng)用的材料特性，這使得它成為硅的有吸引力的替代物。例如，SiC具有大的帶隙，這提供有助于提高溫度操作的很低的漏電流。事實(shí)上，在SiC基底上制造的半導(dǎo)體器件能夠耐受超過200攝氏度的溫度。SiC還具有約是硅的10倍的高擊穿場(chǎng)，以及約是硅的3倍的導(dǎo)熱率，這允許SiC電路容納更高的功率密度。而且，SiC的高電子移動(dòng)性使高速開關(guān)成為可能。因此，SiC被認(rèn)為是用于下一代功率半導(dǎo)體器件的制造的有優(yōu)勢(shì)的材料。這種器件包括例如肖特基二極管、晶閘管和M0SFET。從圖2的左側(cè)移到右側(cè)，開關(guān)器件74、76與第一輸出相110關(guān)聯(lián)，開關(guān)器件78、80 與第二輸出相112關(guān)聯(lián)，以及開關(guān)器件82、84與第三輸出相114關(guān)聯(lián)。雖然圖2中說明的是三相功率轉(zhuǎn)換器和三相永磁電機(jī)70，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解本發(fā)明的實(shí)施例同樣可用于單相或其它多相實(shí)施例。例如，備選實(shí)施例包括具有變化的數(shù)量個(gè)相的配置，如η相， 其中η = 1、2、4、5、7，或更高數(shù)值，其中功率轉(zhuǎn)換器的每相包括類似于器件86、88的多個(gè)開關(guān)器件，每個(gè)具有與二極管98、100類似的、關(guān)聯(lián)的反并聯(lián)二極管。功率轉(zhuǎn)換器62驅(qū)動(dòng)永磁電機(jī)70。在一個(gè)實(shí)施例中，永磁電機(jī)70是包括永磁轉(zhuǎn)子 116和定子118的牽引電機(jī)，例如給電動(dòng)車輛供電的牽引電機(jī)。根據(jù)多種實(shí)施例，可能配置永磁轉(zhuǎn)子116為表面安裝、內(nèi)部或嵌入的永磁轉(zhuǎn)子。在備選實(shí)施例中，永磁電機(jī)70是包括永磁轉(zhuǎn)子116和定子118的交流發(fā)電機(jī)，例如，耦合到輔助供電單元(APU)中的熱機(jī)的永磁交流發(fā)電機(jī)，其中輔助供電單元(APU)生成電功率以幫助混合電動(dòng)車輛(HEV)或熱插拔混合電動(dòng)車輛(PHEV)的操作。SiC MOSFET 86-96的高額定電壓允許永磁電機(jī)70具有高反emf的設(shè)計(jì)，不用擔(dān)心不受控制的發(fā)電模式，從而顯著增加永磁電機(jī)70的功率密度。即，在永磁電機(jī)70的不受控制的發(fā)電模式期間，SiC MOSFET 86-96具有超過DC鏈路電壓的額定電壓。對(duì)于一些較大或高性能車輛(包括SUV，卡車和巴士)，在市售的路上EV、HEV和PHEV中的功率轉(zhuǎn)換器電路中使用的傳統(tǒng)Si IGBT功率模塊通常具有約600V或1200V的額定電壓。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，SiC MOSFET 86-96是由通用電氣公司制造的高壓SiC MOSFET 86-96，其具有約3到 4KV的額定電壓。在功率轉(zhuǎn)換器62上的控制丟失或者到功率轉(zhuǎn)換器62中的功率模塊的柵極驅(qū)動(dòng)丟失期間，與高功率密度多相永磁電機(jī)70結(jié)合的組合高壓SiC功率轉(zhuǎn)換器62允許高至二到四倍的功率密度，并且在容錯(cuò)上有顯著改善。因?yàn)榭蓪iC MOSFET 86-96制造成物理上小于傳統(tǒng)的硅M0SFET，所以SiC MOSFET 86-96可被封裝在車輛環(huán)境中，并且可在更高溫度操作。永磁電機(jī)70的過度的emf電壓可能損壞電源50的DC電源58。因此，在一個(gè)實(shí)施例中，配置控制器72檢測(cè)功率轉(zhuǎn)換器62和功率轉(zhuǎn)換器62的關(guān)聯(lián)柵極驅(qū)動(dòng)電路中的故障。 例如，如果線間反emf位于DC電源58的額定電壓的閾值百分比范圍內(nèi)，可能檢測(cè)到故障。 如果檢測(cè)到故障，可編程控制器72以將DC電源58從功率轉(zhuǎn)換器62斷開或解耦。因此，在功率轉(zhuǎn)換器62中的故障狀態(tài)期間，由永磁電機(jī)70產(chǎn)生的過度的emf電壓將不會(huì)導(dǎo)致對(duì)DC 電源58造成過電壓損壞。即使當(dāng)電機(jī)70高速操作時(shí)發(fā)生潛在的(potential)故障，SiC 功率轉(zhuǎn)換器62和它的關(guān)聯(lián)組件86-96的高額定電壓將經(jīng)受住來自高功率永磁電機(jī)70的反 emf ο因此，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，一種電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，包括具有轉(zhuǎn)子和定子的永磁電機(jī)以及電耦合到永磁電機(jī)的功率轉(zhuǎn)換器，功率轉(zhuǎn)換器配置成將DC鏈路電壓轉(zhuǎn)換成AC輸出電壓以驅(qū)動(dòng)永磁電機(jī)。該功率轉(zhuǎn)換器包括多個(gè)SiC開關(guān)器件，其具有的額定電壓超過在永磁電機(jī)的最大速度處的永磁電機(jī)的峰值線間反emf。根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例，一種制造電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的方法，包括提供SiC功率轉(zhuǎn)換器的步驟，該SiC功率轉(zhuǎn)換器具有多個(gè)SiC開關(guān)器件并可耦合到電源。該方法還包括以下步驟提供永磁電機(jī)，該永磁電機(jī)在最大速度處具有的峰值線間反emf大于電源的DC鏈路電壓；以及將SiC功率轉(zhuǎn)換器耦合到永磁電機(jī)以驅(qū)動(dòng)永磁電機(jī)。根據(jù)本發(fā)明的又一實(shí)施例，一種車輛驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，包括具有永磁轉(zhuǎn)子和定子的電機(jī)。 該驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)還包括DC鏈路和功率轉(zhuǎn)換器，該功率轉(zhuǎn)換器電耦合到DC鏈路和永磁電機(jī)之間以驅(qū)動(dòng)永磁電機(jī)。該功率轉(zhuǎn)換器包括多個(gè)SiC開關(guān)器件，這些SiC開關(guān)器件的額定操作電壓高于能夠在永磁電機(jī)的定子中產(chǎn)生的最大反emf操作電壓。本書面描述使用示例來公開包括最佳模式的本發(fā)明，以及還使本領(lǐng)域技術(shù)人員能實(shí)踐本發(fā)明，包括制作和使用任何裝置或系統(tǒng)及執(zhí)行任何結(jié)合的方法。本發(fā)明可取得專利的范圍由權(quán)利要求確定，且可包括本領(lǐng)域技術(shù)人員想到的其它示例。如果此類其它示例具有與權(quán)利要求字面語言無不同的結(jié)構(gòu)要素，或者如果它們包括與權(quán)利要求字面語言無實(shí)質(zhì)不同的等效結(jié)構(gòu)要素，則它們規(guī)定為在權(quán)利要求的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，包括具有轉(zhuǎn)子(116)和定子(118)的永磁電機(jī)(70)；以及功率轉(zhuǎn)換器(62)，其電耦合到所述永磁電機(jī)(70)并配置成將DC鏈路電壓轉(zhuǎn)換成AC輸出電壓，以驅(qū)動(dòng)所述永磁電機(jī)(70)，所述功率轉(zhuǎn)換器(6 包括多個(gè)碳化硅(SiC)開關(guān)器件(74-84)，其具有的額定電壓超過在所述永磁電機(jī)(70)的最大速度處的所述永磁電機(jī)(70)的峰值線間反電動(dòng)勢(shì)(emf)。
2.如權(quán)利要求1所述的電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其中，所述多個(gè)SiC開關(guān)器件(74-84)包括多個(gè) SiC金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET) (86-96)。
3.如權(quán)利要求1所述的電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其中，所述電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的最大DC鏈路電壓小于所述多個(gè)SiC MOSFET(86-96)的額定電壓。
4.如權(quán)利要求3所述的電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其中，所述多個(gè)SiCMOSFET(86-96)具有的額定電壓大于約3KV。
5.如權(quán)利要求1所述的電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其中，所述永磁電機(jī)(70)包括多相永磁牽引電機(jī)，其包括3相、5相、7相和9相中的一個(gè)。
6.如權(quán)利要求1所述的電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其中，所述永磁電機(jī)(70)包括單相永磁牽引電機(jī)。
7.如權(quán)利要求1所述的電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其中，所述永磁電機(jī)(70)包括耦合到熱機(jī)的多相永磁交流發(fā)電機(jī)。
8.如權(quán)利要求1所述的電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其中，所述功率轉(zhuǎn)換器(62)進(jìn)一步包括與所述多個(gè)SiC MOSFET(86-96)以反并聯(lián)布置連接的多個(gè)二極管(100-108)。
9.如權(quán)利要求1所述的電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其中，所述功率轉(zhuǎn)換器(62)是三相功率轉(zhuǎn)換器。
10.如權(quán)利要求1所述的電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，進(jìn)一步包括 耦合到所述功率轉(zhuǎn)換器(6 的DC鏈路06)；以及電壓源(50)，其耦合到所述DC鏈路06)并配置成向所述DC鏈路06)提供源電壓。
全文摘要
本發(fā)明名稱為“高功率密度、高反EMF永磁電機(jī)及其制造方法”。一種電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，包括具有轉(zhuǎn)子(116)和定子(118)的永磁電機(jī)(70)以及電耦合到永磁電機(jī)(70)的功率轉(zhuǎn)換器(62)，功率轉(zhuǎn)換器(62)配置成將DC鏈路電壓轉(zhuǎn)換成AC輸出電壓以驅(qū)動(dòng)永磁電機(jī)(70)。功率轉(zhuǎn)換器(62)包括多個(gè)碳化硅開關(guān)器件(74-84)，其具有的額定電壓超過在永磁電機(jī)(70)的最大速度處的永磁電機(jī)(70)的峰值線間反電動(dòng)勢(shì)。
文檔編號(hào)H02P27/06GK102545774SQ20111045701
公開日2012年7月4日 申請(qǐng)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(qǐng)人:通用電氣公司