具有碳化硅金属氧化物半导体场效应管开关的马达驱动的制作方法
【专利说明】具有碳化硅金属氧化物半导体场效应管开关的马达驱动
[0001]相关申请的引用
[0002]本申请要求于2014年5月5日提交的题为“MOTOR DRIVE WITH SILICON CARBIDEMOSFET SWITCHES”的美国临时专利申请系列号61/988，744的优先权和权益，该申请的全部内容通过引用结合于本文中。
【背景技术】
[0003]本文公开的主题涉及电力转换系统。
【发明内容】
[0004]现在概述本公开内容的一个或多个方面以促进对本公开内容的基本理解，其中，该概要不是本公开内容的广泛的概述，而是旨在既不确认本公开内容的某些元素，也不勾画本公开内容的范围。而本概要的主要目的在于在下文中呈现的更加详细的描述之前以简化的形式呈现本公开内容的各种概念。本公开内容提供用于使用碳化硅开关来驱动马达或其他AC负载的电力转换系统。
【附图说明】
[0005]图1是示意性图；
[0006]图2是示意性图；
[0007]图3是示意性图；
[0008]图4是示意性图；
[0009]图5是示意性图；
[0010]图6是示意性图；
[0011]图7是示意性图；
[0012]图8是示意性图；
[0013]图9是示意性图?’以及
[0014]图10是示意性图；
【具体实施方式】
[0015]开始参照图1和图2，图1示出了从外部电源2接收单相或多相AC输入电力的示例性马达驱动电力转换系统10。所示出的示例接收三相输入，但是其他多相实施例也是可以的。马达驱动10包括:输入滤波电路20，在这种情况下，三相LCL滤波器具有:连接至电源2的电源线的电网侧电感器L1、L2和L3以及与串联连接的转换器侧电感器L4、L5和L6，以及连接在对应的电网侧电感器和转换器侧电感器与公共连接节点之间的滤波器电容Cl、C2和C3，该公共节点可以但是不需要连接至系统接地。虽然在上下文中示出了三相LCL滤波电路20，但是可以使用其他可替代电路配置，包括但不限于LC滤波器。此外，虽然示出为包括输入滤波电路20，但是在其他实施例中可以省略或修改滤波电路20。马达驱动10包括整流器30、DC总线或DC链路电路40以及输出反相器50，整流器30和反相器50被控制器60操作。控制器60包括分别向整流器30和反相器50提供整流器和反相器开关控制信号62a和66a以操作其开关的整流控制器62和反相器控制器66。在某些实现方式中，反相器开关控制器66提供控制信号66a以便选择性地操作各个反相器开关器件S7至S12以提供可变频率、可变幅度输出以驱动马达负载4，并且反相器开关控制器66还向整流器开关控制器62提供设置点或期望的DC信号或值。整流器开关控制器62反过来操作整流器开关器件SI至S6以便根据所期望的或者设置点DC信号或值在中间链路电路40中的DC链路电容C4的两端提供规定的DC电压Vdc。
[0016]控制器60及其部件可以被实现为任何合适的硬件、处理器执行的软件、处理器执行的固件、逻辑、和/或前述的组合，其中，示出的控制器60可以大量地实现在提供各种控制功能的处理器执行的软件或固件中，通过所述控制功能，控制器60接收反馈和/或输入信号和/或值(例如，一个或多个设置点)并且提供整流器开关控制信号62a和反相器开关控制信号66a以操作整流器开关器件SI至S6和反相器50的开关S7至S12以转换用于提供AC输出电力的输入电力从而驱动负载4。此外，控制器60及其部件可以实现在基于单个处理器的设备，例如，微处理器、微控制器、FPGA等中，或者控制器60及其部件中的一个或多个可以以集中的或者分布的方式通过两个或更多个处理器设备分离的实现。此外，开关控制器62和66可以提供任何合适形式的开关控制，包括在提供开关控制信号62a和/或66a时以及各种实施例中的一个或多个形式的脉宽调制(PffM)控制。此外，开关控制部件62和66可以包括用于提供操作碳化硅开关器件SI至S12的门控制信号的合适的驱动电路。
[0017]图2示出了可变频率、可变幅度马达启动电力转换系统10的另一实施例，在这种情况下，电流源转换器包括具有碳化硅开关器件SI至S6的电流源整流器30以及具有碳化硅开关器件S7至S12的电流源反相器50，其中，转换级30和转换级50经由包括一个或多个DC链路节流阀或者电感器L的中间DC链路电路40相互耦接。在这种情况下，整流器开关控制器60操作整流器开关器件SI至S6以便在中间电路40中提供规定的DC链路电流，以及电流源反相器50提供可变频率、可变幅度输出电流来驱动马达负载4。
[0018]图1和图2中示出的马达驱动10实现包括通过滤波器电路20从电源2接收三相电力的开关整流器(也被称为转换器)30的有源前端(AFE)。整流器30包括根据相应的整流器开关控制(例如，门)信号62a能够操作以当被致动时选择性地导通电流的碳化硅MOSFET整流器开关SI至S6。此外，如图1和图2可见，各个碳化硅开关SI至S6两端连接有二极管，虽然不是所有实施例都严格要求的。在某些实施例中，根据脉宽调制整流器开关控制信号62a控制整流器开关SI至S6的操作以对来自电源2的AC输入电力提供有源整流来在DC链路电路40 (图1)中的DC总线电容C4两端提供DC总线电压Vdc和/或在中间电路40(图2)中提供DC链路电流。此外，可以在再生模式下控制整流器30，开关器件SI至S6根据来自控制器62的相应的开关控制信号62a来工作以从中间电路40再生电力流过滤波器20(如果包括)并且返回电源2。此外，可以控制前端整流器30以便在马达驱动10中实现其他功能，包括但不限于电力因子矫正、选择性谐波消除等。此外，在各种实施例中，有源整流器30可以用具有包括多个碳化硅开关器件S7至S12的开关反相器50的无源整流器替换。此外，可以在AC输入源的线频率处或附近(基本前端或FFE操作)处或者在较高并且可能的可变开关频率例如有源前端(AFE)整流器处操作有源整流器30。
[0019]在该实施例中的反相器开关S7至S12也是被耦接以从DC总线40接收电力并且向马达或者其他负载4提供AC输出电力的碳化硅MOSFET器件。此外，虽然示出的反相器50为三相级，但是在各种实施例中可以提供其他单相或多相反相器50。根据来自反相器开关控制部件66的门控制开关控制信号66a操作碳化硅MOSFET开关S7至S12，并且碳化硅MOSFET开关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导体开关器件。在某些实施例中，控制器60接收各种输入信号或值，包括用于期望的输出操作例如马达速度、位置、扭矩等的设置点信号或值、以及表示马达驱动10的各个部分的操作值的反馈信号或值。
[0020]碳化娃(SiC)，也称为碳化娃(carborundum)，是一种包括娃和碳的化合物并且可以以任意适当的化学计量来实现半导体开关器件S1-S12。此外，碳化硅开关器件S1-S12更优选地为适于在各种马达驱动器10中使用的高温/高压器件。例如，如附录中所示，在特定实施例中开关S1-S12各自被额定处于1200V和300A，并且图1的非限制性示例中的驱动器10是低压变频驱动器，该驱动器10额定值从大约50W到大约1KW，以大约100V至600V的范围内的电压来将马达负载从大约0.25hp驱动至30hp。图2的中压电流源转换器实施例10的功率范围大约为200hp至3400hp，其电源电压大约为交流2400V至6600V。在特定实施例中，碳化硅开关器件S1-S12优选地具有相当大的持续额定电流，例如在25°C和/或在封闭控制柜中或其他马达驱动器外壳(未示出)中所考虑的任何更高额定温度下，并且在大约25°C到大约200°C的温度范围上具有可控阈值电压，并且在这样的正常操作温度范围上具有低RDS0N。此外，开关器件S1-S12优选地具有高的开关能量额定值。
[0021]此外，在各种实施例中，有源前端整流器30的碳化硅开关器件S1-S6以及碳化硅反相器开关S7-S12可以是任何适当形式的场效应晶体管，诸如增强型MOSFET或者耗尽型MOSFETo在图1和图2的非限制性示例中，开关器件是具有相应地提供适当控制信号(例如，Vgs)的控制器60的增强型M0SFET。其他实施例也可以，例如，其中转换级30和50中的给定级的所有开关器件S1-S6和S7-S12可以或者是增强型FET或者是耗尽型FET。图3和图4进一步示出了示例实施例，其中，在单个模块或封装中可以设置开关器件S1-S12中的两个或更多个开关器件。例如，图3示出了包括可以被相互连接以提供碳化硅开关整流器30和/或开关反相器50的六个开关器件S的增强型N沟道碳化硅MOSFET实施例。在这种情况下，对所包括的开关S的源极端子和漏极端子以及针对所包括的开关S的控制栅极设置了端子。图4示出了在N沟道器件S的情况下包括三个半桥碳化硅MOSFET模块的集合的另一可能的实现方式，其中，每个模块包括两个碳化硅开关S。此外，在特定实施例中，可以将开关器件S和/或包括多个这样的开关器件S的模块物理地封装和/或构造，以提供对IGBT或其他传统马达驱动器开关器件的插入式替换，由此使得能够或便利于现有驱动器的升级。
[0022]发明人认识到，在马达驱动器应用中，碳化硅开关器件与IGBT和其他基于硅的开关相比可以有利地提供益处，无论用于拥有整流器级30中的有源整流、中间DC/AC转换器反馈反向器50、备用电源DC/DC转换器和/或在使用开关反相器50驱动马达负载。例如，与硅IGBT相比，碳化硅开关器件S1-S12提供改进的(例如，更高的)带隙能以及更佳的(例如，更高的)热导率。此外，与硅器件相比，宽带隙碳化硅开关器件S1-S12可以提供更大的击穿电场，并且能够提供更高的阻断电压、更高的开关频率以及更高的结点温度。
[0023]现在参照图5和图6，图5示出了包括DC/DC转换级42的电力转换系统实施例，多个马达驱动器10中的每个马达驱动器用于对相关联的反相器50提供DC输入电力。该示例中的DC/DC转换器42由共享DC总线经由第一 DC总线连接DC+和第二 DC总线连接DC-供电。DC/DC转换器42可以