具有碳化硅金屬氧化物半導體場效應管開關的馬達驅動的制作方法
【專利說明】具有碳化硅金屬氧化物半導體場效應管開關的馬達驅動
[0001]相關申請的引用
[0002]本申請要求于2014年5月5日提交的題為“MOTOR DRIVE WITH SILICON CARBIDEMOSFET SWITCHES”的美國臨時專利申請系列號61/988，744的優(yōu)先權和權益，該申請的全部內容通過引用結合于本文中。
【背景技術】
[0003]本文公開的主題涉及電力轉換系統(tǒng)。

【發(fā)明內容】

[0004]現(xiàn)在概述本公開內容的一個或多個方面以促進對本公開內容的基本理解，其中，該概要不是本公開內容的廣泛的概述，而是旨在既不確認本公開內容的某些元素，也不勾畫本公開內容的范圍。而本概要的主要目的在于在下文中呈現(xiàn)的更加詳細的描述之前以簡化的形式呈現(xiàn)本公開內容的各種概念。本公開內容提供用于使用碳化硅開關來驅動馬達或其他AC負載的電力轉換系統(tǒng)。
【附圖說明】
[0005]圖1是示意性圖；
[0006]圖2是示意性圖；
[0007]圖3是示意性圖；
[0008]圖4是示意性圖；
[0009]圖5是示意性圖；
[0010]圖6是示意性圖；
[0011]圖7是示意性圖；
[0012]圖8是示意性圖；
[0013]圖9是示意性圖?’以及
[0014]圖10是示意性圖；
【具體實施方式】
[0015]開始參照圖1和圖2，圖1示出了從外部電源2接收單相或多相AC輸入電力的示例性馬達驅動電力轉換系統(tǒng)10。所示出的示例接收三相輸入，但是其他多相實施例也是可以的。馬達驅動10包括:輸入濾波電路20，在這種情況下，三相LCL濾波器具有:連接至電源2的電源線的電網(wǎng)側電感器L1、L2和L3以及與串聯(lián)連接的轉換器側電感器L4、L5和L6，以及連接在對應的電網(wǎng)側電感器和轉換器側電感器與公共連接節(jié)點之間的濾波器電容Cl、C2和C3，該公共節(jié)點可以但是不需要連接至系統(tǒng)接地。雖然在上下文中示出了三相LCL濾波電路20，但是可以使用其他可替代電路配置，包括但不限于LC濾波器。此外，雖然示出為包括輸入濾波電路20，但是在其他實施例中可以省略或修改濾波電路20。馬達驅動10包括整流器30、DC總線或DC鏈路電路40以及輸出反相器50，整流器30和反相器50被控制器60操作。控制器60包括分別向整流器30和反相器50提供整流器和反相器開關控制信號62a和66a以操作其開關的整流控制器62和反相器控制器66。在某些實現(xiàn)方式中，反相器開關控制器66提供控制信號66a以便選擇性地操作各個反相器開關器件S7至S12以提供可變頻率、可變幅度輸出以驅動馬達負載4，并且反相器開關控制器66還向整流器開關控制器62提供設置點或期望的DC信號或值。整流器開關控制器62反過來操作整流器開關器件SI至S6以便根據(jù)所期望的或者設置點DC信號或值在中間鏈路電路40中的DC鏈路電容C4的兩端提供規(guī)定的DC電壓Vdc。
[0016]控制器60及其部件可以被實現(xiàn)為任何合適的硬件、處理器執(zhí)行的軟件、處理器執(zhí)行的固件、邏輯、和/或前述的組合，其中，示出的控制器60可以大量地實現(xiàn)在提供各種控制功能的處理器執(zhí)行的軟件或固件中，通過所述控制功能，控制器60接收反饋和/或輸入信號和/或值(例如，一個或多個設置點)并且提供整流器開關控制信號62a和反相器開關控制信號66a以操作整流器開關器件SI至S6和反相器50的開關S7至S12以轉換用于提供AC輸出電力的輸入電力從而驅動負載4。此外，控制器60及其部件可以實現(xiàn)在基于單個處理器的設備，例如，微處理器、微控制器、FPGA等中，或者控制器60及其部件中的一個或多個可以以集中的或者分布的方式通過兩個或更多個處理器設備分離的實現(xiàn)。此外，開關控制器62和66可以提供任何合適形式的開關控制，包括在提供開關控制信號62a和/或66a時以及各種實施例中的一個或多個形式的脈寬調制(PffM)控制。此外，開關控制部件62和66可以包括用于提供操作碳化硅開關器件SI至S12的門控制信號的合適的驅動電路。
[0017]圖2示出了可變頻率、可變幅度馬達啟動電力轉換系統(tǒng)10的另一實施例，在這種情況下，電流源轉換器包括具有碳化硅開關器件SI至S6的電流源整流器30以及具有碳化硅開關器件S7至S12的電流源反相器50，其中，轉換級30和轉換級50經(jīng)由包括一個或多個DC鏈路節(jié)流閥或者電感器L的中間DC鏈路電路40相互耦接。在這種情況下，整流器開關控制器60操作整流器開關器件SI至S6以便在中間電路40中提供規(guī)定的DC鏈路電流，以及電流源反相器50提供可變頻率、可變幅度輸出電流來驅動馬達負載4。
[0018]圖1和圖2中示出的馬達驅動10實現(xiàn)包括通過濾波器電路20從電源2接收三相電力的開關整流器(也被稱為轉換器)30的有源前端(AFE)。整流器30包括根據(jù)相應的整流器開關控制(例如，門)信號62a能夠操作以當被致動時選擇性地導通電流的碳化硅MOSFET整流器開關SI至S6。此外，如圖1和圖2可見，各個碳化硅開關SI至S6兩端連接有二極管，雖然不是所有實施例都嚴格要求的。在某些實施例中，根據(jù)脈寬調制整流器開關控制信號62a控制整流器開關SI至S6的操作以對來自電源2的AC輸入電力提供有源整流來在DC鏈路電路40 (圖1)中的DC總線電容C4兩端提供DC總線電壓Vdc和/或在中間電路40(圖2)中提供DC鏈路電流。此外，可以在再生模式下控制整流器30，開關器件SI至S6根據(jù)來自控制器62的相應的開關控制信號62a來工作以從中間電路40再生電力流過濾波器20(如果包括)并且返回電源2。此外，可以控制前端整流器30以便在馬達驅動10中實現(xiàn)其他功能，包括但不限于電力因子矯正、選擇性諧波消除等。此外，在各種實施例中，有源整流器30可以用具有包括多個碳化硅開關器件S7至S12的開關反相器50的無源整流器替換。此外，可以在AC輸入源的線頻率處或附近(基本前端或FFE操作)處或者在較高并且可能的可變開關頻率例如有源前端(AFE)整流器處操作有源整流器30。
[0019]在該實施例中的反相器開關S7至S12也是被耦接以從DC總線40接收電力并且向馬達或者其他負載4提供AC輸出電力的碳化硅MOSFET器件。此外，雖然示出的反相器50為三相級，但是在各種實施例中可以提供其他單相或多相反相器50。根據(jù)來自反相器開關控制部件66的門控制開關控制信號66a操作碳化硅MOSFET開關S7至S12，并且碳化硅MOSFET開關S7至S12可以是任何形式的碳化硅MOSFET或其他基于碳化硅的半導體開關器件。在某些實施例中，控制器60接收各種輸入信號或值，包括用于期望的輸出操作例如馬達速度、位置、扭矩等的設置點信號或值、以及表示馬達驅動10的各個部分的操作值的反饋信號或值。
[0020]碳化娃(SiC)，也稱為碳化娃(carborundum)，是一種包括娃和碳的化合物并且可以以任意適當?shù)幕瘜W計量來實現(xiàn)半導體開關器件S1-S12。此外，碳化硅開關器件S1-S12更優(yōu)選地為適于在各種馬達驅動器10中使用的高溫/高壓器件。例如，如附錄中所示，在特定實施例中開關S1-S12各自被額定處于1200V和300A，并且圖1的非限制性示例中的驅動器10是低壓變頻驅動器，該驅動器10額定值從大約50W到大約1KW，以大約100V至600V的范圍內的電壓來將馬達負載從大約0.25hp驅動至30hp。圖2的中壓電流源轉換器實施例10的功率范圍大約為200hp至3400hp，其電源電壓大約為交流2400V至6600V。在特定實施例中，碳化硅開關器件S1-S12優(yōu)選地具有相當大的持續(xù)額定電流，例如在25°C和/或在封閉控制柜中或其他馬達驅動器外殼(未示出)中所考慮的任何更高額定溫度下，并且在大約25°C到大約200°C的溫度范圍上具有可控閾值電壓，并且在這樣的正常操作溫度范圍上具有低RDS0N。此外，開關器件S1-S12優(yōu)選地具有高的開關能量額定值。
[0021]此外，在各種實施例中，有源前端整流器30的碳化硅開關器件S1-S6以及碳化硅反相器開關S7-S12可以是任何適當形式的場效應晶體管，諸如增強型MOSFET或者耗盡型MOSFETo在圖1和圖2的非限制性示例中，開關器件是具有相應地提供適當控制信號(例如，Vgs)的控制器60的增強型M0SFET。其他實施例也可以，例如，其中轉換級30和50中的給定級的所有開關器件S1-S6和S7-S12可以或者是增強型FET或者是耗盡型FET。圖3和圖4進一步示出了示例實施例，其中，在單個模塊或封裝中可以設置開關器件S1-S12中的兩個或更多個開關器件。例如，圖3示出了包括可以被相互連接以提供碳化硅開關整流器30和/或開關反相器50的六個開關器件S的增強型N溝道碳化硅MOSFET實施例。在這種情況下，對所包括的開關S的源極端子和漏極端子以及針對所包括的開關S的控制柵極設置了端子。圖4示出了在N溝道器件S的情況下包括三個半橋碳化硅MOSFET模塊的集合的另一可能的實現(xiàn)方式，其中，每個模塊包括兩個碳化硅開關S。此外，在特定實施例中，可以將開關器件S和/或包括多個這樣的開關器件S的模塊物理地封裝和/或構造，以提供對IGBT或其他傳統(tǒng)馬達驅動器開關器件的插入式替換，由此使得能夠或便利于現(xiàn)有驅動器的升級。
[0022]發(fā)明人認識到，在馬達驅動器應用中，碳化硅開關器件與IGBT和其他基于硅的開關相比可以有利地提供益處，無論用于擁有整流器級30中的有源整流、中間DC/AC轉換器反饋反向器50、備用電源DC/DC轉換器和/或在使用開關反相器50驅動馬達負載。例如，與硅IGBT相比，碳化硅開關器件S1-S12提供改進的(例如，更高的)帶隙能以及更佳的(例如，更高的)熱導率。此外，與硅器件相比，寬帶隙碳化硅開關器件S1-S12可以提供更大的擊穿電場，并且能夠提供更高的阻斷電壓、更高的開關頻率以及更高的結點溫度。
[0023]現(xiàn)在參照圖5和圖6，圖5示出了包括DC/DC轉換級42的電力轉換系統(tǒng)實施例，多個馬達驅動器10中的每個馬達驅動器用于對相關聯(lián)的反相器50提供DC輸入電力。該示例中的DC/DC轉換器42由共享DC總線經(jīng)由第一 DC總線連接DC+和第二 DC總線連接DC-供電。DC/DC轉換器42可以