專利名稱：低電感、高效率的感應(yīng)電機(jī)及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的實(shí)施例大體上涉及具有低漏電感的感應(yīng)馬達(dá)，更具體而言，涉及一種用于通過提供包括碳化硅金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)的功率變換器來設(shè)計(jì)低電感、高效率感應(yīng)電機(jī)(induction machine)的方法和系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
感應(yīng)電機(jī)通常使用帶有活性硅切換裝置的功率變換器來驅(qū)動(dòng)。切換裝置通常使用脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)來操作，以便將直流供電電源轉(zhuǎn)變?yōu)榭捎脕眚?qū)動(dòng)感應(yīng)電機(jī)的交流電源。在PWM中，使用一系列直流脈沖來驅(qū)動(dòng)切換裝置。當(dāng)突然從功率變換器在電感負(fù)載上施加電壓時(shí)，通過負(fù)載的電流隨時(shí)間幾乎線性地增加。當(dāng)隨后關(guān)閉電壓時(shí)，通過負(fù)載的電流不立即降到零，而是隨時(shí)間大致線性地減小(隨著電感器的磁場衰減)，并且電流在續(xù)流二極管中流動(dòng)。因此，由功率變換器施加到負(fù)載上的輸入電壓脈沖表現(xiàn)出鋸齒狀的電流波形。 輸出電流的變化通常被稱為滯流(current ripple)。滯流通常是不期望的，因?yàn)樗馁M(fèi)電感器內(nèi)的能量，并且可在負(fù)載中引起不需要的脈動(dòng)。滯流產(chǎn)生不期望的EMI和機(jī)械振動(dòng)，并且在馬達(dá)內(nèi)產(chǎn)生諧波損耗。諧波電流流過定子導(dǎo)體和轉(zhuǎn)子導(dǎo)體并引起諧波銅耗，并且諧波磁通將其自身限制在鐵芯表面，并在定子齒和轉(zhuǎn)子齒內(nèi)產(chǎn)生諧波鐵芯損耗。滯流越大，感應(yīng)電機(jī)的電流波形的質(zhì)量越低。滯流主要是由于PWM電壓波形中包含的諧波。對于給定的直流母線電壓，滯流主要取決于功率變換器的切換頻率以及機(jī)器的瞬態(tài)電感或漏電感。公式1表示作為機(jī)器峰值基本相電流的比率的機(jī)器滯流系數(shù)。
1 V TKipple = -~"“^公式 1
max "^σIfflax為峰值基本相電流(A)，Vdc為直流母線電壓(V)，Ts為切換時(shí)間(s)，L。為電機(jī)瞬態(tài)電感(H)。如果感應(yīng)電機(jī)的一個(gè)相的漏電感成比例地較大，則滯流一般將較低，而不論功率變換器內(nèi)的切換裝置的切換頻率如何。因此，感應(yīng)電機(jī)的漏電感越高，輸出電流波形越逼近理想波形。因此，感應(yīng)電機(jī)通常設(shè)計(jì)成具有足夠高的漏電感以保持低滯流。然而，將機(jī)器設(shè)計(jì)成具有較高漏電感具有多個(gè)缺點(diǎn)，其中包括降低機(jī)器效率和降低機(jī)器通量弱化能力。此外，增加的漏電感經(jīng)由電力系統(tǒng)中的線路缺口注入諧波。對于許多應(yīng)用來說，與特定相相關(guān)的漏電感成比例地較低。這種低漏電感意味著， 對于相同的載波頻率，滯流將高得多。高滯流潛在地注入不可接受的噪聲量到馬達(dá)內(nèi)。如果滯流足夠高，則可導(dǎo)致輸出在其指定特性以外工作。例如，在電動(dòng)馬達(dá)的情況下，增加的滯流導(dǎo)致對機(jī)器的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的控制降低。當(dāng)滯流足夠高時(shí)，由于不在其合適的電流范圍內(nèi)操作，馬達(dá)可完全失效。提高的弱磁能力是例如在牽引應(yīng)用中使用的感應(yīng)電機(jī)的重要特性，在其中，對于在感應(yīng)電機(jī)角點(diǎn)(corner point)以上的速度，希望驅(qū)動(dòng)器和感應(yīng)馬達(dá)在較寬的速度范圍內(nèi)以恒定或幾乎恒定的輸出功率操作。以低于角點(diǎn)的馬達(dá)轉(zhuǎn)速操作常常被稱為在“恒定轉(zhuǎn)矩” 區(qū)域中操作，而在感應(yīng)電機(jī)的角點(diǎn)以上操作常常被稱為在“恒定功率”操作模式下操作。通常，低漏電感感應(yīng)電機(jī)設(shè)計(jì)允許在超出感應(yīng)電機(jī)的基本轉(zhuǎn)速3倍的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)進(jìn)行“恒定功率”模式的操作。 因此，希望設(shè)計(jì)一種感應(yīng)電機(jī)，其保持優(yōu)質(zhì)的電流波形并以低漏電感工作以增加機(jī)器效率和提高機(jī)器的通量弱化能力。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，一種電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括感應(yīng)電機(jī)和功率變換器，功率變換器電聯(lián)接至感應(yīng)電機(jī)以驅(qū)動(dòng)感應(yīng)電機(jī)。功率變換器包括多個(gè)碳化硅(SiC)切換裝置。該電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)還包括控制器，該控制器電聯(lián)接至功率變換器，并且被編程為用以將切換信號以給定的切換頻率傳送至多個(gè)SiC切換裝置，使得峰-峰滯流小于大約5%。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，一種制造電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的方法包括下列步驟提供具有給定漏電感的感應(yīng)電機(jī)；以及提供具有多個(gè)SiC切換裝置的SiC功率變換器，其中，SiC功率變換器可聯(lián)接至電源。該方法還包括提供控制器的步驟，該控制器被編程為用以將切換信號以一定速率傳送至該多個(gè)SiC切換裝置，該速率使能由于感應(yīng)電機(jī)的給定漏電感產(chǎn)生的滯流最小化。此外，該方法包括將SiC功率變換器聯(lián)接至感應(yīng)電機(jī)以驅(qū)動(dòng)感應(yīng)電機(jī)以及聯(lián)接至控制器的步驟。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，一種交通工具驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括功率變換器，該功率變換器電聯(lián)接至感應(yīng)馬達(dá)以驅(qū)動(dòng)感應(yīng)馬達(dá)。該功率變換器包括多個(gè)SiC切換裝置，并且感應(yīng)馬達(dá)設(shè)計(jì)成具有給定漏電感。該交通工具驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)還包括控制器，該控制器被編程為用以向該多個(gè)SiC切換裝置發(fā)送切換信號以造成SiC切換裝置以一定速率切換，該速率使由于感應(yīng)馬達(dá)的給定漏電感產(chǎn)生的滯流最小化。根據(jù)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)現(xiàn)本發(fā)明的實(shí)施例。在附圖中圖1示出一種常規(guī)的感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。圖2示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的低電感、高效率感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。
具體實(shí)施例方式圖1示出一種常規(guī)的三相感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)10。系統(tǒng)10包括提供直流輸入電壓的直流鏈路(DC link) 12，直流輸入電壓被轉(zhuǎn)變或逆變?yōu)橄蚪涣鞲袘?yīng)電機(jī)14供電的交流波形。輸入濾波電容器16聯(lián)接到直流鏈路12上以用于在直流鏈路12上過濾電壓VDC。當(dāng)功率從直流鏈路12流至交流感應(yīng)電機(jī)14時(shí)，功率變換器18從直流鏈路12接收輸入電壓。 這種功率流向常常被稱為在“馬達(dá)驅(qū)動(dòng)”模式下工作。當(dāng)電能的流向?yàn)閺母袘?yīng)電機(jī)14到功率變換器18時(shí)，功率變換器18的輸入電壓為來自感應(yīng)電機(jī)14的交流電，而自功率變換器 18的輸出為直流鏈路12上的直流電壓。功率從交流感應(yīng)電機(jī)14流到功率變換器18的情形的操作常常被稱為在再生制動(dòng)模式下操作，該模式可用于例如希望在下坡道上或當(dāng)交通工具減速時(shí)保持給定的速度值時(shí)的交通工具中。功率變換器18為每相支路具有兩個(gè)串聯(lián)切換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和沈形成第二相支路，裝置觀和30形成第三相支路。 裝置20-30為常規(guī)硅半導(dǎo)體切換裝置，例如像硅IGBT、M0SFET、硅雙極達(dá)林頓功率晶體管、 GTO、SCR或IGCT型裝置，這些裝置具有不超過15-20kHz的切換頻率(取決于感應(yīng)電機(jī)14 的額定功率)。二極管32、34、36、38、40、42以反平行關(guān)系聯(lián)接到對應(yīng)的硅切換裝置20-30 上。圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)44。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)44包括具有直流源電壓Vs 48的直流鏈路46。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)44還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M以及被配置成將直流源M的電壓轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麈溌坊蛟措妷篤s的整流器52。在另一個(gè)實(shí)施例中，電源50包括直流電源M，例如電池、燃料電池或帶有相關(guān)功率電子變換器的飛輪。在還有另一實(shí)施例中，電源50包括直流電源M，例如電池、燃料電池、超級電容器或帶有聯(lián)接到雙向直流-直流電壓轉(zhuǎn)換器52的相關(guān)功率電子控制器的飛輪，其中直流-直流電壓轉(zhuǎn)換器52將源電壓升壓至直流鏈路或源電壓Vs。直流鏈路46將直流輸出電壓Vdc 56供給至驅(qū)動(dòng)感應(yīng)電機(jī)60的功率變換器或逆變器58。輸入濾波電容器62被顯示為在正直流軌道64和負(fù)直流軌道66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64和負(fù)軌道66之間的功率質(zhì)量。感應(yīng)電機(jī)60包括定子68和轉(zhuǎn)子組件70。根據(jù)本發(fā)明的多個(gè)實(shí)施例，感應(yīng)電機(jī)60 可以是例如具有鼠籠式轉(zhuǎn)子或滑環(huán)式轉(zhuǎn)子的異步電機(jī)，其中每種電機(jī)都可作為馬達(dá)或發(fā)電機(jī)工作。功率變換器58接收來自直流鏈路46的直流輸出電壓Vdc 56并轉(zhuǎn)變直流輸出電壓以便提供用于驅(qū)動(dòng)感應(yīng)電機(jī)60的合適形式的交流電。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，功率變換器58為具有多個(gè)切換裝置72、74、76、78、80、82的三相直流-交流逆變器。每個(gè)切換裝置72-82包括碳化硅(SiC)MOSFET 84、86、88、90、92、94 以及相關(guān)的反平行二極管 96、98、100、102、104、 106。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，SiC MOSFET 84-94是由通用電氣公司制造的具有超過50kHz的切換頻率的SiCMOSFET。SiC是一種晶體物質(zhì)，其具有使其成為在高電壓和高功率應(yīng)用中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能帶隙，從而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攝氏度的高溫。SiC還具有為硅的大越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，從而給SiC電路提供更高的功率密度。此外，SiC的高電子遷移率允許高速切換，其中一些SiC 電路能夠?qū)崿F(xiàn)比相當(dāng)?shù)墓枨袚Q裝置高至少10倍的切換性能增益。因此，SiC已被認(rèn)為是用于制造下一代功率半導(dǎo)體裝置的有利材料。這樣的SiC裝置包括例如肖特基二極管、半導(dǎo)體閘流管和M0SFET。由于SiC MOSFET可制造得比常規(guī)硅MOSFET更小，SiC MOSFET可被封裝在汽車環(huán)境中，并可在更高溫度下工作。在圖2中從左向右移動(dòng)，切換裝置72、74與第一輸出相108相關(guān)，切換裝置76、78 與第二輸出相110相關(guān)，并且切換裝置80、82與第三輸出相112相關(guān)。雖然圖2中示出了三相功率變換器和三相感應(yīng)電機(jī)，但本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)理解，本發(fā)明的實(shí)施例同樣適用于單相實(shí)施例或其它多相實(shí)施例。例如，備選實(shí)施例包括帶有可變相數(shù)的構(gòu)造，例如η相， 其中η = 1、2、4、5、6、7、8、9或更大的數(shù)，其中功率變換器的每一相包括類似于裝置84、86 的多個(gè)切換裝置，每個(gè)切換裝置帶有類似于二極管96、98的相關(guān)的反平行二極管。本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)認(rèn)識到，在這樣的備選實(shí)施例中，感應(yīng)電機(jī)60將包括與功率變換器58的相數(shù)匹配的多相繞組。例如，一個(gè)備選實(shí)施例可包括聯(lián)接到具有五相繞組的感應(yīng)電機(jī)的五相功率變換器。經(jīng)由相應(yīng)的線路116聯(lián)接到SiC MOSFET 84-94的控制器114被配置成獨(dú)立地控制SiC MOSFET 84-94的切換。在一個(gè)實(shí)施例中，控制器114為PWM控制器，并且被編程為產(chǎn)生用于控制SiC M0SFET84-94的PWM信號。本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)認(rèn)識到，備選控制技術(shù)同樣適用于本發(fā)明的實(shí)施例。SiC MOSFET 84_94的高切換頻率允許將感應(yīng)電機(jī)60設(shè)計(jì)得帶有較低漏電感，而不必?fù)?dān)心滯流對電流波形質(zhì)量的負(fù)面影響。也就是說，感應(yīng)電機(jī)60在保持優(yōu)質(zhì)波形的同時(shí)可具有較低漏電感。在一個(gè)實(shí)施例中，峰-峰滯流小于大約5%。通過降低感應(yīng)電機(jī)60的漏電感，到感應(yīng)電機(jī)60的電壓增加，從而顯著提高感應(yīng)電機(jī)60的效率。此外，降低感應(yīng)電機(jī)60的漏電感提高其通量弱化能力，從而允許擴(kuò)大驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)44可以在“恒定功率”操作模式下操作的速度范圍。恒定功率速度范圍常常被稱為在“恒定功率”下操作的最大速度對比轉(zhuǎn)矩保持在最大值或恒定值時(shí)感應(yīng)電機(jī)的基本速度的比率。因此，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括感應(yīng)電機(jī)和電聯(lián)接到感應(yīng)電機(jī)以驅(qū)動(dòng)感應(yīng)電機(jī)的功率變換器。功率變換器包括多個(gè)碳化硅(SiC)切換裝置。電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)還包括控制器，該控制器電聯(lián)接至功率變換器，并且被編程為將切換信號以給定的切換頻率傳送至多個(gè)SiC切換裝置，使得峰-峰滯流小于大約5%。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，一種制造電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的方法包括下列步驟提供具有給定漏電感的感應(yīng)電機(jī)；以及提供具有多個(gè)SiC切換裝置的SiC功率變換器，其中，SiC 功率變換器可聯(lián)接至電源。該方法還包括提供控制器的步驟，該控制器被編程為以一定速率將切換信號傳送至該多個(gè)SiC切換裝置，該速率使能由于感應(yīng)電機(jī)的給定漏電感產(chǎn)生的滯流最小化。此外，該方法包括將SiC功率變換器聯(lián)接至感應(yīng)電機(jī)以驅(qū)動(dòng)感應(yīng)電機(jī)以及聯(lián)接至控制器的步驟。根據(jù)本發(fā)明的還有另一實(shí)施例，一種車輛驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括電聯(lián)接至感應(yīng)馬達(dá)以驅(qū)動(dòng)感應(yīng)馬達(dá)的功率變換器。該功率變換器包括多個(gè)SiC切換裝置，并且感應(yīng)馬達(dá)設(shè)計(jì)成具有給定漏電感。該車輛驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)還包括控制器，該控制器被編程為向多個(gè)SiC切換裝置發(fā)送切換信號以造成SiC切換裝置以一定速率切換，該速率使由于感應(yīng)馬達(dá)的給定漏電感產(chǎn)生的滯流最小化。該書面描述用示例來公開包括最佳模式的本發(fā)明，并且還使本領(lǐng)域技術(shù)人員能實(shí)施本發(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)明的可專利范圍由權(quán)利要求所限定，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
1.一種電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，包括 感應(yīng)電機(jī)(60)；功率變換器(58)，所述功率變換器(58)電聯(lián)接至所述感應(yīng)電機(jī)(60)以驅(qū)動(dòng)所述感應(yīng)電機(jī)(60)，所述功率變換器(58)包括多個(gè)碳化硅(SiC)切換裝置(72-82)；以及控制器(114)，所述控制器(114)電聯(lián)接至所述功率變換器(58)，并且被編程為將切換信號以給定的切換頻率傳送至所述多個(gè)SiC切換裝置(72-82)，使得峰-峰滯流小于大約5%。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其特征在于，所述多個(gè)SiC切換裝置(72-82)包括多個(gè)SiC金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET) (84-94)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其特征在于，所述多個(gè)SiC切換裝置(72-82)能夠以至少50kHz的頻率切換。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其特征在于，所述功率變換器(58)還包括以反平行布置的方式與所述多個(gè)SiC MOSFET (84-94)相連的多個(gè)二極管(96-106)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其特征在于，所述功率變換器(58)為三相功率變換器。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其特征在于，所述功率變換器(58)是包括N相的多相功率變換器，其中N為2、3、4、5、6、7、8和9中的一個(gè)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其特征在于，所述感應(yīng)電機(jī)陽0)包括N相繞組。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其特征在于，所述功率變換器(58)為單相功率變換器。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其特征在于，所述控制器(114)是脈寬調(diào)制 (PWM)控制器，所述PWM控制器被編程為用以產(chǎn)生PWM信號，用于控制所述多個(gè)SiC切換裝置(72-82)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其特征在于，還包括電壓源(50)，所述電壓源 (50)包括電池、超級電容器和飛輪的其中至少一項(xiàng)。
全文摘要
本發(fā)明涉及低電感、高效率的感應(yīng)電機(jī)及其制造方法。具體而言，提供了一種電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，包括感應(yīng)電機(jī)(60)和功率變換器(58)，功率變換器(58)電聯(lián)接至感應(yīng)電機(jī)(60)以驅(qū)動(dòng)感應(yīng)電機(jī)(60)。功率變換器(58)包括多個(gè)碳化硅(SiC)切換裝置(72-82)。該電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)還包括控制器(114)，控制器(114)電聯(lián)接至功率變換器(58)，并且被編程為用以將切換信號以給定的切換頻率傳送至該多個(gè)SiC切換裝置(72-82)，使得峰-峰滯流小于大約5％。
文檔編號H02P27/06GK102570967SQ20111038588
公開日2012年7月11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