JP2012115135A

JP2012115135A - 一体化された電気機械と炭化ケイ素電源コンバータアセンブリおよびその作製方法

Info

Publication number: JP2012115135A
Application number: JP2011250220A
Authority: JP
Inventors: Mohamed Fauzi El Refaie Iman; アイマン・モハメッド・ファジ・エル−レファイ; Robert D King; ロバート・ディーン・キング
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2010-11-19
Filing date: 2011-11-16
Publication date: 2012-06-14
Also published as: BRPI1105062A2; CN102545479A; EP2456054A3; CN102545479B; EP2456054A2; US20120126728A1

Abstract

【課題】単一の冷却ループ内で一体化されたモータと電力コンバータとを備える装置、およびその製造方法を提供すること。
【解決手段】ロータおよびステータを含む電気機械と、電気機械に電気的に結合され、電気機械を駆動するために直流接続路電圧を交流出力電圧に変換するように構成された電力コンバータと、単一の冷却ループとを備える電気駆動システムであって、電気機械と電力コンバータが単一の冷却ループ内で一体化される、電気駆動システム。
【選択図】図２

Description

本発明の諸実施形態は、一般に電気機械に関し、より具体的には単一の冷却ループ内で一体化された電気機械と電源コンバータに関し、この電源コンバータは、炭化ケイ素金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）を備える。

様々な用途、特にハイブリッド自動車および／または電気自動車の駆動用途では、高電力密度および高効率の電気機械（すなわちモータおよび発電機）が長い間一般に必要とされてきた。エネルギー供給および環境に関する理由により、効率も信頼性も高く、しかも標準的な消費者にとって妥当な価格のハイブリッド電気自動車および／または電気自動車を製造しようとする動機付けが高まってきた。しかし、ハイブリッド電気自動車および電気自動車に利用可能な駆動モータ技術は、一般にコストが法外に高く、それによって、消費者の値ごろ感または製造者の収益性の一方（または両方）が低下することになる。

最も多く製品化されているハイブリッド電気自動車および電気自動車は、駆動用途の内部永久磁石（ＩＰＭ）電気機械に依拠している。というのは、ＩＰＭ機械は、広い速度範囲にわたって高い電力密度および高い効率を有することが分かっており、また前輪駆動自動車に容易に搭載されるからである。しかし、ＩＰＭ機械だけが駆動用途で使用される電気機械ではない。誘導機械など他の種類の電気機械にも、これらが特定の駆動用途で望ましいものとされるいくつかの利点がある。

利用される電気機械の種類にかかわらず、動作中の電気機械に電力を供給するには様々な電力電子デバイスが必要とされる。これらの電力電子デバイスは従来、シリコン制御整流器（ＳＣＲ）、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、および／または電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）を含んでいた。ハイブリッド電気自動車および／または電気自動車の用途では、直流電源は一般に電池から、あるいは電池または他のエネルギーコンバータを内蔵する電力供給システムから入手可能である。電力コンバータを使用してこの電力を、自動車の１つまたは複数のモータを駆動する交流（ＡＣ）波形に変換する。次に、モータは、動力伝達要素を駆動する役割を果たして自動車を推進させる。

電力電子デバイスは、ハイブリッド電気駆動システムおよび電気駆動システムが機能するのに不可欠であるが、このような用途では、そのサイズおよび配置に対して固有の制約がある。動作中の電気機械によって発生する熱など、電気機械を取り囲む領域の変化する環境状態により、システムの電力コンバータは一般に、それが結合される電気機械から比較的遠く離して取り付けられる。この取付け箇所の離れていることが、過熱による電力コンバータの部品故障を防止する助けになる。しかし、このように離して取り付けることには、いくつかの欠点もある。１つの欠点は、電力コンバータを電気機械と結合するのに必要な延長ケーブル接続により、電磁妨害（ＥＭＩ）が増加することである。別の欠点は、電気機械で利用されるどの冷却ループとも完全に別個の冷却ループである、電力コンバータ自体に設けられるべき専用の冷却ループが必要なことである。この別個の冷却ループにより、コスト、重量、およびシステム全体の複雑さが大幅に増すだけでなく、システムの全体のサイズが増大する。

米国特許出願公開第２０１０／０２００９３１号公報

したがって、単一の冷却ループ内で一体化されたモータと電力コンバータとを備える装置、およびその製造方法を有することが望ましい。

本発明の一態様によれば、電気駆動システムが提示され、この電気駆動システムは、ロータおよびステータを含む電気機械と、電気機械に電気的に結合され、電気機械を駆動するために直流接続路電圧を交流出力電圧に変換するように構成された電力コンバータと、単一の冷却ループとを備え、電気機械と電力コンバータは単一の冷却ループ内で一体化される。

本発明の別の態様によれば、電気駆動システムを製造する方法が提示され、この方法は、複数の炭化ケイ素（ＳｉＣ）スイッチングデバイスを有する、電源に結合可能なＳｉＣ電力コンバータを用意するステップと、ロータおよびステータを有する電気機械を用意するステップと、ＳｉＣ電力コンバータを電気機械に結合して電気機械を駆動するステップと、冷却ループを用意するステップとを含み、ＳｉＣ電力コンバータと電気機械は、冷却ループ内で一体化される。

本発明の別の態様によれば、自動車駆動システムが提示され、この自動車駆動システムは、ロータおよびステータを含むモータと、直流接続路と、モータを駆動するために直流接続路とモータの間に電気的に結合された電力コンバータとを備え、電力コンバータは、複数の炭化ケイ素（ＳｉＣ）スイッチングデバイスと冷却ループとを備え、モータと電力コンバータは冷却ループ内で一体化される。

他の様々な特徴および利点は、以下の詳細な説明および図面から明らかになろう。

図面は、本発明を実施するために現在企図されている実施形態を示す。

従来の電気機械駆動システムを示す図である。本発明の一実施形態による電気機械駆動システムを示す図である。本発明の一実施形態による電気機械駆動システムの冷却ループの概略図である。

図１は、従来の三相電気機械駆動システム１０を示す。システム１０は、直流入力電圧を供給する直流接続路１２を含み、この直流入力電圧は、交流電気機械１４に電力供給する交流波形に変換すなわち直交変換される。入力フィルタコンデンサ１６は、電力が直流接続路１２から交流電気機械１４へ流れるときに直流接続路１２上の電圧ＶＤＣをフィルタリングするように、直流接続路間に結合される。この電力の流れの方向は、「モータリング」モード動作と呼ばれることが多い。電力の流れの方向が電気機械１４から電力コンバータ１８に向かう場合には、電力コンバータ１８への入力電圧は電気機械１４からの交流になるが、電力コンバータ１８からの出力は直流接続路１２上の直流電圧である。電力が交流電気機械１４から電力コンバータ１８へ流れる動作は、回生ブレーキモード動作と呼ばれることが多く、この動作は、例えば自動車では、下り坂斜面で所与の値の速度に維持することが望ましい場合、または自動車を減速している間、有効である。電力コンバータ１８は、直流接続路１２から入力電圧を受け取る。電力コンバータ１８は、直列接続された２つのスイッチングデバイスを相枝路ごとに有する典型的な三相インバータである。例えば、デバイス２０と２２は第１相枝路を形成し、デバイス２４と２６は第２相枝路を形成し、デバイス２８と３０は第３相枝路を形成する。デバイス２０〜３０は、例えば、シリコンＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ、シリコンバイポーラダーリントン電力トランジスタ、ＧＴＯ、ＳＣＲ、またはＩＧＣＴタイプのデバイスなど、従来のシリコン半導体スイッチングデバイスである。ダイオード３２、３４、３６、３８、４０、４２は、それぞれのシリコンスイッチングデバイス２０〜３０の両端間に逆並列の関係で結合される。

図２は、本発明の一実施形態による電気機械駆動システム４４を示す。駆動システム４４は、直流電源電圧Ｖ_S ４８を有する直流接続路４６を含む。駆動システム４４は、直流電源電圧Ｖ_S ４８を供給する電源５０を含む。一実施形態では、電源５０は交流電源５２と、交流電源５２の電圧を直流接続路電圧すなわち直流電源電圧Ｖ_Sに変換するように構成された整流器５４とを含む。別の実施形態では（図示せず）、電源５０は、電池、燃料電池、付随の電力電子コンバータを備えるフライホイールなどの直流電源５４を含む。さらに別の実施形態では、電源５０は、電池、燃料電池、ウルトラキャパシタ、フライホイールなどの直流電源５２を、電源電圧を直流接続路電圧すなわち電源電圧Ｖ_Sに昇圧する双方向ＤＣ−ＤＣ電圧コンバータ５４に結合された付随の電力電子制御部と共に含む。直流接続路４６は、直流出力電圧Ｖ_DC ５６を電力コンバータすなわちインバータ５８に供給する。入力フィルタコンデンサ６０が、正直流レール６２と負直流レール６４の間に示されており、これは、電源５０からの高周波電流に対するフィルタ機能の役割を果たして、正レール６２と負レール６４の間の電力品質を確保する。

電力コンバータ５８は、直流接続路４６から直流入力電圧ＶＤＣ５６を受け取り、それを変換すなわち直交変換して、以下で詳細に説明する電気機械６６を駆動するのに適した交流電力の形を得る。

一実施形態によれば、電力コンバータ５８は、複数のスイッチングデバイス６８、７０、７２、７４、７６、７８を有する三相ＤＣ−ＡＣインバータである。各スイッチングデバイス６８〜７８は、炭化ケイ素（ＳｉＣ）ＭＯＳＦＥＴ８０、８２、８４、８６、８８、９０、および付随の逆並列ダイオード９２、９４、９６、９８、１００、１０２を含む。

ＳｉＣは結晶物質であり、その材料特性により、高電圧用途および大電力用途でシリコンの魅力的な代替品になる。例えば、ＳｉＣは大きなバンドギャップを有し、このため漏洩電流が非常に小さくなり、それによって高温動作が容易になる。実際、ＳｉＣ基板上に製造された半導体デバイスは、２００℃を超える温度に耐えることができる。ＳｉＣはまた、シリコンの約１０倍という高い破壊電界、およびシリコンの約３倍の熱伝導率を有し、それによって、ＳｉＣ回路を用いて高い電力密度に対応することが可能になる。さらに、ＳｉＣの高い電子移動度が高速スイッチングを可能にする。したがってＳｉＣは、次世代の電力半導体デバイスの製造で使用するのに有利な材料と考えられてきた。このようなデバイスには、例えば、ショットキーダイオード、サイリスタ、およびＭＯＳＦＥＴが含まれる。

図２で左から右へ移動すると、スイッチングデバイス６８、７０は第１の出力相１０４に付随し、スイッチングデバイス７２、７４は第２の出力相１０６に付随し、スイッチングデバイス７６、７８は第３の出力相１０８に付随している。図２には三相電力コンバータが示されているが、本発明の諸実施形態は、どんな多相電力コンバータにも同様に適用可能であることを当業者は理解されよう。例えば、代替実施形態には、様々な数の相、例えばｎ相を備える構成が含まれ、ここでｎ＝１、２、４、５、またはより大きい数であり、電力コンバータの各相には、デバイス６８、７０と類似の複数のスイッチングデバイスが含まれ、それぞれにダイオード９２、９４と類似の付随の逆並列ダイオードが備わる。

電力コンバータ５８は、電気機械６６を駆動するように構成される。一実施形態では、電気機械６６は、永久磁石ロータ１１０およびステータ１１２を有する永久磁石電気機械として構成される。しかし代替実施形態では、電気機械６６は、誘導機械、または駆動用途で動作できる他の任意の適切な電気機械として構成することができる。さらに、電気機械６６はまた、ハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）またはプラグインハイブリッド電気自動車（ＰＨＥＶ）の動作を助けるための電力を発生する補助電源ユニット（ＡＰＵ）内で、熱機関に結合することもできる。

前述のように、ＳｉＣ基板上に製造された半導体デバイスは、２００℃を超える温度に耐えることができる。したがって、ＳｉＣＭＯＳＦＥＴ８６〜９６は、従来の電力電子素子よりもかなり高い定格である、少なくとも２００℃の温度定格を有する。電力電子素子が高温の影響を受けやすいことにより、電気機械に結合される従来の電力コンバータは電気機械からかなり遠く隔てて取り付けられ、それ自体の冷却ループを備えるのに対して、ＳｉＣＭＯＳＦＥＴ８０〜９０を備える電力コンバータ５８は、このように遠隔に配置する必要がない。

それに応じて、図３を参照すると、本発明の別の実施形態が示されている。図３は、駆動システム２００の概略図を示し、このシステムは、冷媒入力部２０４および冷媒出力部２０６を有する単一の冷却ループ２０２を備える。冷媒入力部２０４を経由して単一の冷却ループ２０２に入る冷媒は、任意の適切な冷媒でよい（例えば、液体、空気など）。具体的には、冷却ループ２０２に使用される冷媒は、不凍液または自動車トランスミッション液とすることができる。電気機械２０８は、冷却ループ２０２内に配置される。電力コンバータ２１０は電気機械２０８に結合され、やはり冷却ループ２０２内に配置される。電力コンバータ２１０は、電気機械２０８との三相接続を有するように示されているが、本発明はこのような接続に限定されない。例えば、電気機械２０８と同様に、電力コンバータ２１０もまた、３相、５相、７相、９相、またはさらに大きい数の相を含む、他の数の多相を使用すると想定される。

図３には示されていないが、電力コンバータ２１０は、図２に関して示され説明された電力コンバータ５８と同様に構成されることを理解されたい。つまり、電力コンバータ２１０は、その中に複数のＳｉＣＭＯＳＦＥＴを備え、このＳｉＣＭＯＳＦＥＴは、少なくとも２００℃の温度定格を有するとともに、スイッチング損失が低い。一実施形態では、電力コンバータ２１０と、電源電圧５２を直流接続路４６に向けて昇圧する双方向ＤＣ−ＤＣ電圧コンバータ５４とのパッケージングは、電気機械のハウジング内で完全に一体化し、単一の冷却ループで冷却できることが想定される。さらに、双方向ＤＣ−ＤＣ電圧コンバータ５４内の各スイッチングデバイス（図示せず）は、電力コンバータ２１０内と同様の熱特性および高周波スイッチング性能を備えた炭化ケイ素（ＳｉＣ）ＭＯＳＦＥＴおよび付随の逆並列ダイオードを含むことも想定される。電力コンバータ２１０が冷却ループ２０２内で電気機械２０８と完全に一体化することができるのは、これらのユニークな特徴による。というのは、電力コンバータ２１０が大きな熱負荷を少しも冷却ループに付加しないからである。電力コンバータ２１０内のＳｉＣＭＯＳＦＥＴの温度定格が高いことでまた、電力コンバータ２１０を電気機械２０８の近傍に配置することも可能になる。実際、図３には示されていないが、電力コンバータ２１０を電気機械２０８と同じハウジングの中に組み込み、それによって、いっそうコンパクトで簡略化された駆動システムを作り上げることができる。単一の冷却ループ２０２は、電気機械２０８および電力コンバータ２１０の温度を、十分に両デバイスの温度定格内である１５０℃を上限として調節するように構成される。

加えて、図３には示されていないが、駆動システム２００はさらに、図２に関して示され説明されたように、直流接続路を介して電力コンバータ２１０に結合された電圧源（例えば、電池、ウルトラキャパシタ、フライホイールなどのうち少なくとも１つ）を備えることを理解されたい。電圧源は、単一の冷却ループ２０２の外部に配置されることになる。

図３に示される単一の冷却ループ２０２を使用すると、駆動システム全体の重量、コスト、および複雑さを大幅に低減することができる。電気機械２０８と電力コンバータ２１０を単一の冷却ループ２０２の中に集約することによって可能になったコスト、重量および複雑さの低減という利益に加えて、駆動システム２００はまた、従来の電気駆動システムと比較して電磁妨害（ＥＭＩ）の低減も実現する。このＥＭＩの低減は、電力コンバータ２１０を電気機械２０８のすぐ近傍に取り付ける（または一体化する）ことができ、それによって、電力コンバータを電気機械に結合する長いシールドケーブルが不要になることによる。これらの長いシールドケーブル、および電力コンバータと電気機械の間の距離の延長により一般に、大きなＥＭＩが生じることが知られている。このようなケーブルが不要になると、それによってＥＭＩが低減する。

したがって、本発明の一実施形態によれば、電気駆動システムが提示され、この電気駆動システムは、ロータおよびステータを含む電気機械と、電気機械に電気的に結合され、電気機械を駆動するために直流接続路電圧を交流出力電圧に変換するように構成された電力コンバータと、単一の冷却ループとを備え、電気機械と電力コンバータは単一の冷却ループ内で一体化される。

本発明の別の実施形態によれば、電気駆動システムを製造する方法が提示され、この方法は、複数の炭化ケイ素（ＳｉＣ）スイッチングデバイスを有する、電源に結合可能なＳｉＣ電力コンバータを用意するステップと、ロータおよびステータを有する電気機械を用意するステップと、電気機械を駆動するための電気機械にＳｉＣ電力コンバータを結合するステップと、冷却ループを用意するステップとを含み、ＳｉＣ電力コンバータと電気機械は冷却ループ内で一体化される。

本発明のさらに別の実施形態によれば、自動車駆動システムが提示され、この自動車駆動システムは、ロータおよびステータを含むモータと、直流接続路と、モータを駆動するために直流接続路とモータの間に電気的に結合された電力コンバータとを備え、電力コンバータは、複数の炭化ケイ素（ＳｉＣ）スイッチングデバイスと冷却ループとを含み、モータと電力コンバータは冷却ループ内で一体化される。

本明細書では、ベストモードを含めて本発明を開示するために、また、任意のデバイスまたはシステムを作製し使用すること、および任意の組み込まれた方法を実行することを含めて、本発明をどの当業者でも実施できるようにするために、諸例を用いている。本発明の特許可能な範囲は、特許請求の範囲で定義され、当業者に想起される他の諸例も含みうる。このような他の諸例は、それが特許請求の範囲の文字言葉と違わない構造要素を有する場合、または特許請求の範囲の文字言葉とわずかな違いがある同等の構造要素を含む場合には、特許請求の範囲内にあるものとする。

１０三相電気機械駆動システム
１２直流接続路
１４交流電気機械
１６入力フィルタコンデンサ
１８電力コンバータ
２０デバイス
２２デバイス
２４デバイス
２６デバイス
２８デバイス
３０デバイス
３２ダイオード
３４ダイオード
３６ダイオード
３８ダイオード
４０ダイオード
４２ダイオード
４４電気機械駆動システム、駆動システム
４６直流接続路
４８直流電源電圧Ｖ_S
５０電源
５２直流電源
５４双方向ＤＣ−ＤＣ電圧コンバータ
５６直流出力電圧ＶＤＣ
５８インバータ
６０入力フィルタコンデンサ
６２正レール
６４負レール
６６電気機械
６８スイッチングデバイス
７０スイッチングデバイス
７２スイッチングデバイス
７４スイッチングデバイス
７６スイッチングデバイス
７８スイッチングデバイス
８０炭化ケイ素（ＳｉＣ）ＭＯＳＦＥＴ
８２炭化ケイ素（ＳｉＣ）ＭＯＳＦＥＴ
８４炭化ケイ素（ＳｉＣ）ＭＯＳＦＥＴ
８６炭化ケイ素（ＳｉＣ）ＭＯＳＦＥＴ
８８炭化ケイ素（ＳｉＣ）ＭＯＳＦＥＴ
９０炭化ケイ素（ＳｉＣ）ＭＯＳＦＥＴ
９２逆並列ダイオード
９４逆並列ダイオード
９６逆並列ダイオード
９８逆並列ダイオード
１００逆並列ダイオード
１０２逆並列ダイオード
１０４第１の出力相
１０６第２の出力相
１０８第３の出力相
１１０永久磁石ロータ
１１２ステータ
２００駆動システム
２０２単一の冷却ループ、冷却ループ
２０４冷媒入力部
２０６冷媒出力部
２０８電気機械
２１０電力コンバータ

Claims

ロータ（１１０）およびステータ（１１２）を含む電気機械（６６、２０８）と、
前記電気機械（６６、２０８）に電気的に結合され、前記電気機械（６６、２０８）を駆動するために直流接続路電圧を交流出力電圧に変換するように構成された電力コンバータ（５８、２１０）と、
単一の冷却ループ（２０２）とを備える電気駆動システム（４４）であって、前記電気機械（６６、２０８）と前記電力コンバータ（５８、２１０）が前記単一の冷却ループ（２０２）内で一体化される、電気駆動システム（４４）。
前記電力コンバータ（５８、２１０）が複数の炭化ケイ素（ＳｉＣ）スイッチングデバイス（８０、８２、８４、８６、８８、９０）を備える、請求項１記載の電気駆動システム（４４）。
前記複数の炭化ケイ素（ＳｉＣ）スイッチングデバイス（８０、８２、８４、８６、８８、９０）が複数のＳｉＣ金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）を含む、請求項２記載の電気駆動システム（４４）。
前記複数のＳｉＣＭＯＳＦＥＴが少なくとも２００℃の温度定格を有する、請求項３記載の電気駆動システム（４４）。
前記単一の冷却ループ（２０２）が、前記電気機械（６６、２０８）および電力コンバータ（５８、２１０）の温度を、１５０℃を上限として調節するように構成される、請求項１記載の電気駆動システム（４４）。
前記電気機械（６６、２０８）が永久磁石機械および誘導機械のうちの一方である、請求項１記載の電気駆動システム（４４）。
前記電気機械（６６、２０８）が、３相、５相、７相、および９相のうちの少なくとも１つで構成される、請求項６記載の電気駆動システム（４４）。
前記電力コンバータ（５８、２１０）がさらに、前記複数のＳｉＣＭＯＳＦＥＴと逆並列配置で接続された複数のダイオード（９２、９４、９６、９８、１００、１０２）を備える、請求項１記載の電気駆動システム（４４）。
前記電力コンバータ（５８、２１０）が、３相、５相、７相、および９相のうちの少なくとも１つで構成される、請求項１記載の電気駆動システム（４４）。
前記電力コンバータ（５８、２１０）が、前記電気機械（６６、２０８）のハウジング内に完全に一体化される、請求項１記載の電気駆動システム（４４）。