包括SiC JFET的功率逆變器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種功率逆變器，包括可操作地被提供有參考電勢(shì)的參考線和可操作地被提供有相對(duì)于參考電勢(shì)的直流電源電壓的電源線。第一半橋包括高側(cè)開關(guān)和低側(cè)開關(guān)。高側(cè)開關(guān)耦合于電源線和半橋的中間抽頭之間，并且低側(cè)開關(guān)耦合于中間抽頭和參考線之間。低側(cè)開關(guān)由常通碳化硅結(jié)型場效應(yīng)晶體管形成，并且高側(cè)開關(guān)由常通碳化硅結(jié)型場效應(yīng)晶體管和常斷金屬氧化物場效應(yīng)晶體管的串聯(lián)電路形成。
【專利說明】包括SiC JFET的功率逆變器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及包括碳化硅結(jié)型場效應(yīng)晶體管(SiC-JFET)的功率變換器領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]碳化硅(SiC)功率開關(guān)因其低開關(guān)損耗而聞名。常通SiC-JFET由于各種原因而似乎適合用于低損耗單極開關(guān)應(yīng)用。然而，由于安全原因而通常期望常斷特性。因此將常通高壓SiC-JFET與標(biāo)準(zhǔn)低壓MOSFET組合從而形成常斷共源共柵電路，例如在D.Domes, X.Zhang: “ CASCODE LIGHT - normal I y-on JFET stand alone performance in anormally-off Cascode circuit,，，in:Proceedings of PCIM2010，Nuremberg, May2010 中描述了常斷共源共柵電路。
[0003]可以在功率變換器中使用提及的共源共柵電路以將直流功率高壓變換為(例如多相)交流功率。多數(shù)應(yīng)用使用由并聯(lián)耦合的三個(gè)半橋電路構(gòu)成的3相功率變換器(也稱作3相逆變器)。這種功率變換器可以例如有用地應(yīng)用于同步電動(dòng)機(jī)或者異步電動(dòng)機(jī)，特別是在混合動(dòng)力交通工具或者電動(dòng)交通工具中。
[0004]然而，用相應(yīng)的共源共柵電路替換每一常通SiC-JFET將導(dǎo)致更高的損耗。因此仍然存在對(duì)于改進(jìn)的功率變換器的需要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明描述了一種功率逆變器。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)示例，功率逆變器包括可操作地被提供有參考電勢(shì)的參考線、可操作地被提供有相對(duì)于參考電勢(shì)的直流電源電壓的電源線以及至少一個(gè)半橋。半橋由在電源線與半橋的中間抽頭之間耦合的高側(cè)開關(guān)和在中間抽頭與參考線之間耦合的低側(cè)開關(guān)構(gòu)成。低側(cè)開關(guān)由常通碳化硅(SiC)結(jié)型場效應(yīng)晶體管(JFET)形成，并且高側(cè)開關(guān)由常通SiC-JFET和常斷金屬氧化物場效應(yīng)晶體管(MOSFET)的串聯(lián)電路形成。
[0006]此外，本發(fā)明描述了 一種用于驅(qū)動(dòng)和控制三相電動(dòng)機(jī)的控制器。該控制器包括上述功率逆變器。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0007]根據(jù)以下附圖和描述可以更好地理解本發(fā)明。在附圖中的部件未必成比例，而是將重點(diǎn)放在示出本發(fā)明的原理。此外，在附圖中，相似的參考標(biāo)記表示對(duì)應(yīng)的部分。在附圖中:
[0008]圖1示出具有包括三個(gè)半橋的三相直流至交流功率變換器的電動(dòng)機(jī)控制器，每個(gè)半橋包括低側(cè)晶體管和聞側(cè)晶體管；
[0009]圖2示出包括三個(gè)晶體管半橋的三相功率逆變器，每個(gè)半橋由低側(cè)常通SiC-JFET和高側(cè)常通SiC-JFET構(gòu)成；
[0010]圖3示出用高壓常通SiC-JFET和低壓常斷MOSFET的串聯(lián)電路替換常通SiC-JFET，該串聯(lián)電路具有常斷特性；
[0011]圖4示出包括三個(gè)晶體管半橋的三相功率逆變器，每個(gè)半橋由低側(cè)常通SiC-JFET和常斷高側(cè)開關(guān)構(gòu)成，該常斷高側(cè)開關(guān)由高壓常通SiC-JFET和低壓常斷MOSFET的串聯(lián)電路形成；以及
[0012]圖5示出電動(dòng)交通工具的動(dòng)力傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，包括高壓電池、三相功率逆變器和三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)(異步電動(dòng)機(jī))。
【具體實(shí)施方式】
[0013]圖1示出可以用于驅(qū)動(dòng)和控制三相交流電動(dòng)機(jī)(即異步電動(dòng)機(jī)或者同步電動(dòng)機(jī))的三相功率逆變器的功率級(jí)(power stage)。在本示例中將電動(dòng)機(jī)示出為被連接為形成Y形連接的感性負(fù)載La、Lb和L。。三個(gè)感性負(fù)載的公共端子通常被稱為中性點(diǎn)，中性點(diǎn)在對(duì)稱負(fù)載的情況下可以浮置。感性負(fù)載La、Lb和L。的其余端子(即未連接到中性點(diǎn)的端子)形成將連接到三個(gè)逆變器輸出的外部電動(dòng)機(jī)端子，標(biāo)記為“相A”、“相B”和“相C”。備選地，根據(jù)應(yīng)用的需要，感性負(fù)載可以按三角形連接法連接。
[0014]圖1的功率逆變器包括三個(gè)半橋10A、10B、10C。每個(gè)半橋連接在直流電源線和參考線之間。也就是，在操作期間，直流電壓Vdc施加在直流電源線和參考線之間。此外，每個(gè)半橋10A、10B、IOC由高側(cè)半導(dǎo)體開關(guān)TiaJibJ1。和對(duì)應(yīng)的低側(cè)開關(guān)T2A、T2B、T2。構(gòu)成。在每個(gè)半橋內(nèi)，低側(cè)開關(guān)和高側(cè)開關(guān)的負(fù)載電流路徑(即，在雙極型晶體管的情況下的集電極-發(fā)射極電流路徑，或者在場效應(yīng)晶體管的情況下的漏極-源極電流路徑)串聯(lián)連接，并且兩個(gè)開關(guān)的公共電路節(jié)點(diǎn)(即中心抽頭)形成橋輸出端子。三個(gè)半橋10AU0B和IOC的三個(gè)輸出端子分別標(biāo)記為“相A”、“相B”和“相C”。為了驅(qū)動(dòng)和控制，感性負(fù)載半導(dǎo)體開關(guān)(晶體管)Τ1Α>T2A、T1B、T2B、Tic,T2c具有與其負(fù)載電流路徑并聯(lián)耦合的續(xù)流二極管。一些類型的半導(dǎo)體開關(guān)具有內(nèi)在的續(xù)流二極管，而一些類型的半導(dǎo)體開關(guān)需要外部連接的續(xù)流二極管。半導(dǎo)體開關(guān)通過適當(dāng)?shù)仳?qū)動(dòng)開關(guān)的控制(即柵極或者基極)電極來接通和關(guān)斷，以此方式使得感性負(fù)載La、Lb和L。承載(近似)正弦電流iA、iB和i。(相電流)，其中相電流具有相互之間120度的相移。
[0015]圖2示出與圖1的逆變器相似的三相功率逆變器。與圖1的示例不同，圖2的逆變器由常通碳化硅(SiC)結(jié)型場效應(yīng)晶體管(JFET)構(gòu)成。當(dāng)切換高電功率時(shí)，SiC-JFET相對(duì)于MOSFET通常具有一些優(yōu)點(diǎn)。SiC-JFET可以在高溫下操作，并且可用于上至1.2千伏(kV)的反向電壓。此外，SiC-JFET在開關(guān)損耗方面具有比相當(dāng)?shù)腗OSFET更好的性能。由于SiC-JFET是常通器件(并且從而必須被有源地關(guān)斷)，產(chǎn)生了一些安全問題，這需要復(fù)雜的柵極驅(qū)動(dòng)器電路以避免半橋擊穿(即，由于半橋的低側(cè)開關(guān)和高側(cè)開關(guān)同時(shí)接通導(dǎo)致的直流電壓短路)?？傮w而言，常斷開關(guān)特性將是有利的。
[0016]為了避免SiC-JFET的常通特性的缺點(diǎn)，將常通高壓SiC-JFET與標(biāo)準(zhǔn)低壓MOSFET組合，從而形成表現(xiàn)常斷特性的串聯(lián)電路。這一串聯(lián)電路可以被設(shè)計(jì)為所謂的“共源共柵電路”。圖3示出用高壓SiC-JFET Jx和低壓MOSFET My的串聯(lián)電路替換高壓SiC-JFET Jx，其中JFET Jx的源極直接連接到MOSFET My的漏極。JFET Jx的柵極Gx可以連接到MOSFET的源極S。然而，這不是唯一的選擇，并且可以使用更復(fù)雜的電路來驅(qū)動(dòng)JFET Jx的柵極。在多數(shù)應(yīng)用中，JFET和MOSFET將具有與其負(fù)載電流路徑并聯(lián)耦合的續(xù)流二極管?？傮w而言，圖3的級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)(與單個(gè)SiC-JFET相比)具有其具有常斷特性的優(yōu)點(diǎn)。然而，由于在低壓MOSFET中的額外的傳導(dǎo)損耗而導(dǎo)致(與單個(gè)SiC-JFET相比)損耗更高。
[0017]圖4示出根據(jù)本發(fā)明的三相功率逆變器的一個(gè)示例性實(shí)施例。從而，該功率逆變器包括在直流電源線和參考線之間連接的三個(gè)半橋10AU0B和10C。對(duì)直流電源線提供直流電源電壓，并且將參考線耦合到參考電勢(shì)。因此，從電源線到參考線的電壓降等于電源電壓VD。。每個(gè)半橋由在電源線與半橋的中間抽頭(中心抽頭)之間耦合的高側(cè)開關(guān)和在中間抽頭與參考線之間耦合的低側(cè)開關(guān)構(gòu)成。低側(cè)開關(guān)由單個(gè)常通SiC-JFET形成，并且高側(cè)開關(guān)由另一常通SiC-JFET和常斷金屬氧化物場效應(yīng)晶體管(MOSFET)的串聯(lián)電路形成。這一串聯(lián)電路與圖3的右電路圖中示出的電路對(duì)應(yīng)，并且也被稱為共源共柵電路。SiC-JFET是具有至少400伏并且上至1.2千伏甚至更大的最大反向電壓的高壓晶體管。MOSFET是具有在30伏以下的最大反向電壓的低壓晶體管。具有這樣的低最大反向電壓的MOSFET將很小的額外傳導(dǎo)損耗引入到負(fù)載電流路徑中。
[0018]圖5示出圖4的功率逆變器的應(yīng)用的一個(gè)示例，即電動(dòng)交通工具的動(dòng)力傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。圖5的示例包括當(dāng)今在混合動(dòng)力交通工具或者電動(dòng)交通工具中通常使用的高壓電池2。向功率逆變器I供應(yīng)由電池提供的直流電壓VDC，該功率逆變器可以包括圖4中所示的功率級(jí)。也就是，功率逆變器I由三個(gè)半橋構(gòu)成。三個(gè)輸出端子(相A、相B、相C，參見圖4)例如連接到三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)3的三個(gè)端子。可以使用適當(dāng)?shù)臇艠O驅(qū)動(dòng)器電路來驅(qū)動(dòng)功率逆變器I的晶體管，該柵極驅(qū)動(dòng)器電路進(jìn)行操作以使得電動(dòng)機(jī)電流iA、^和匹配對(duì)應(yīng)的期望電流信號(hào)。電流控制通常取決于各種控制變量，諸如電動(dòng)機(jī)的期望轉(zhuǎn)速。
[0019]盡管已經(jīng)詳細(xì)描述示例性實(shí)施例及其優(yōu)點(diǎn)，但是應(yīng)當(dāng)理解可以在不脫離如所附權(quán)利要求限定的本發(fā)明的精神和范圍的情況下，對(duì)本文進(jìn)行各種改變、替換和變化?？紤]到上述范圍的變化和應(yīng) 用，應(yīng)理解本發(fā)明既不限于前述描述，也不限于附圖。事實(shí)上，本發(fā)明僅由所附權(quán)利要求及其法律等價(jià)物限制。
【權(quán)利要求】
1.一種功率逆變器，包括: 參考線，可操作地被提供有參考電勢(shì)； 電源線，可操作地被提供有相對(duì)于所述參考電勢(shì)的直流電源電壓； 第一半橋，包括高側(cè)開關(guān)和低側(cè)開關(guān)，所述高側(cè)開關(guān)耦合于所述電源線和所述半橋的中間抽頭之間，并且所述低側(cè)開關(guān)耦合于所述中間抽頭和所述參考線之間； 其中所述低側(cè)開關(guān)由常通碳化硅(SiC)結(jié)型場效應(yīng)晶體管(JFET)形成；并且其中所述高側(cè)開關(guān)由常通SiC JFET和常斷金屬氧化物場效應(yīng)晶體管(MOSFET)的串聯(lián)電路形成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率逆變器，其中所述SiCJFET是高壓晶體管，并且所述MOSFET是低壓晶體管。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的功率逆變器，其中所述SiCJFET具有大于400伏的最大反向電壓，并且所述MOSFET具有小于50伏的最大反向電壓。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率逆變器，還包括: 第二半橋和第三半橋，每個(gè)半橋包括高側(cè)開關(guān)和低側(cè)開關(guān)，其中對(duì)于所述第二半橋和所述第三半橋兩者，所述高側(cè)開關(guān)耦合于所述電源線和相應(yīng)的半橋的中間抽頭之間，并且所述低側(cè)開關(guān)耦合于所述中間抽頭和所述參考線之間； 其中每個(gè)低側(cè)開關(guān)由單個(gè)常通SiC-JFET形成；并且 其中每個(gè)高側(cè)開關(guān)由常通SiC-JFET和常斷MOSFET的串聯(lián)電路形成。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的功率逆變器，其中每個(gè)SiC-JFET是高壓晶體管，并且所述MOSFET是低壓晶體管。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的功率逆變器，其中每個(gè)SiC-JFET具有大于400伏的最大反向電壓，并且每個(gè)MOSFET具有小于50伏的最大反向電壓。
7.一種用于驅(qū)動(dòng)和控制三相電動(dòng)機(jī)的控制器，所述控制器包括: 參考線，可操作地被提供有參考電勢(shì)； 電源線，可操作地被提供有相對(duì)于所述參考電勢(shì)的直流電源電壓； 第一半橋，包括第一高側(cè)開關(guān)和第一低側(cè)開關(guān)，所述第一高側(cè)開關(guān)耦合于所述電源線和所述第一半橋的第一中間抽頭之間，并且所述第一低側(cè)開關(guān)耦合于所述第一中間抽頭和所述參考線之間，其中所述第一低側(cè)開關(guān)由單個(gè)常通碳化硅(SiC)結(jié)型場效應(yīng)晶體管(JFET)形成，并且所述第一高側(cè)開關(guān)由常通SiC JFET和常斷金屬氧化物場效應(yīng)晶體管(MOSFET)的串聯(lián)電路形成； 第二半橋，包括第二高側(cè)開關(guān)和第二低側(cè)開關(guān)，所述第二高側(cè)開關(guān)耦合于所述電源線和所述第二半橋的第二中間抽頭之間，并且所述第二低側(cè)開關(guān)耦合于所述第二中間抽頭和所述參考線之間，其中所述第二低側(cè)開關(guān)由單個(gè)常通SiC JFET形成，并且所述第二高側(cè)開關(guān)由常通SiC JFET和常斷MOSFET的串聯(lián)電路形成；以及 第三半橋，包括第三高側(cè)開關(guān)和第三低側(cè)開關(guān)，所述第三高側(cè)開關(guān)耦合于所述電源線和所述第三半橋的第三中間抽頭之間，并且所述第三低側(cè)開關(guān)耦合于所述第三中間抽頭和所述參考線之間，其中所述第三低側(cè)開關(guān)由單個(gè)常通SiC JFET形成，并且所述第三高側(cè)開關(guān)由常通SiC JFET和常斷MOSFET的串聯(lián)電路形成； 其中所述第一半橋、所述第二半橋和所述第三半橋的所述中間抽頭被配置為可操作地耦合到所述三相電動(dòng)機(jī)，以用于向所述電動(dòng)機(jī)提供負(fù)載電流。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的控制器，其中所述SiCJFET是高壓晶體管，并且所述MOSFET是低壓晶體管。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的控制器，其中所述SiCJFET具有大于400伏的最大反向電壓，并且所述MOSFET具有小于50伏的最大反向電壓。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的控制器，還包括驅(qū)動(dòng)器電路，所述驅(qū)動(dòng)器電路具有耦合到所述SiC JFET和所述MOSFET中的每個(gè)的控制端子的輸出。
11.一種用于交通工具的動(dòng)力傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，所述動(dòng)力傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括: 聞壓電池； 參考線； 第一半橋，包括第一高側(cè)開關(guān)和第一低側(cè)開關(guān)，所述第一高側(cè)開關(guān)耦合于所述高壓電池和所述第一半橋的第一中間抽頭之間，并且所述第一低側(cè)開關(guān)耦合于所述第一中間抽頭和所述參考線之間，其中所述第一低側(cè)開關(guān)由單個(gè)常通碳化硅(SiC)結(jié)型場效應(yīng)晶體管(JFET)形成，并且所述第一高側(cè)開關(guān)由常通SiC JFET和常斷金屬氧化物場效應(yīng)晶體管(MOSFET)的串聯(lián)電路形成； 第二半橋，包括第二高側(cè)開關(guān)和第二低側(cè)開關(guān)，所述第二高側(cè)開關(guān)耦合于所述高壓電池和所述第二半橋的第二中間抽頭之間，并且所述第二低側(cè)開關(guān)耦合于所述第二中間抽頭和所述參考線之間，其中所述第二低側(cè)開關(guān)由單個(gè)常通SiC JFET形成，并且所述第二高側(cè)開關(guān)由常通SiC JFET和常斷MOSFET的串聯(lián)電路形成；以及· 第三半橋，包括第三高側(cè)開關(guān)和第三低側(cè)開關(guān)，所述第三高側(cè)開關(guān)耦合于所述高壓電池和所述第三半橋的第三中間抽頭之間，并且所述第三低側(cè)開關(guān)耦合于所述第三中間抽頭和所述參考線之間，其中所述第三低側(cè)開關(guān)由單個(gè)常通SiC JFET形成，并且所述第三高側(cè)開關(guān)由常通SiC JFET和常斷MOSFET的串聯(lián)電路形成； 三相電動(dòng)機(jī)，其中所述第一半橋、所述第二半橋和所述第三半橋的所述中間抽頭可操作地耦合到所述三相電動(dòng)機(jī)，以用于向所述電動(dòng)機(jī)提供負(fù)載電流。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的動(dòng)力傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，其中所述SiCJFET是高壓晶體管，并且所述MOSFET是低壓晶體管。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的動(dòng)力傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，其中所述SiCJFET具有大于400伏的最大反向電壓，并且所述MOSFET具有小于50伏的最大反向電壓。
14.根據(jù)權(quán)利要求11所述的動(dòng)力傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，其中所述交通工具包括混合動(dòng)力交通工具。
15.根據(jù)權(quán)利要求11所述的動(dòng)力傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，其中所述交通工具包括電動(dòng)交通工具。
16.根據(jù)權(quán)利要求11所述的動(dòng)力傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，還包括驅(qū)動(dòng)器電路，所述驅(qū)動(dòng)器電路具有耦合到所述SiC JFET和所述MOSFET中的每個(gè)的控制端子的輸出。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的動(dòng)力傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，其中所述驅(qū)動(dòng)器電路被配置為使電動(dòng)機(jī)電流受控制變量控制。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的動(dòng)力傳動(dòng)機(jī)構(gòu),其中所述控制變量包括所述電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。
【文檔編號(hào)】H02M7/5387GK103856094SQ201310632701
【公開日】2014年6月11日 申請(qǐng)日期:2013年11月29日 優(yōu)先權(quán)日:2012年11月29日
【發(fā)明者】C·卡斯特羅塞拉托, M·曼科爾, M·N·閔采爾 申請(qǐng)人:英飛凌科技股份有限公司