逆变器的制作方法

1.本发明涉及一种用于电机的逆变器以及一种在电能存储器和电机之间交换电能的方法。


背景技术：

2.从电源向电机提供作为电流或电压的电能。可能有必要使电流或电压适应电机的要求。
3.从文献de 10 2013 114 271 a1中已知一种逆变器。
4.文献ep 3 217 535 a1描述了一种用于电动机的驱动装置。
5.从文献us 2014/184303 a1中已知一种半导体
‑
电力设备。


技术实现要素：

6.在这种背景下，本发明的目的是有效地为电机提供电能。
7.该目的通过具有独立权利要求的特征的逆变器和方法来实现。从从属权利要求和说明书中得出逆变器和方法的实施方式。
8.根据本发明的逆变器被设计用于具有转子和定子作为部件的电机。逆变器包括：dc/dc转换器或者说直流/直流转换器或者说根据定义的直流电压/直流电压转换器；以及dc/ac转换器或者说直流/交流转换器或者说根据定义的直流电压/交流电压转换器。dc/ac转换器具有至少一个由碳化硅(sic)制成的芯片，该芯片具有至少一个mosfet(metal oxide semiconductor field
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effect transistor)或者说金属氧化物半导体场效应晶体管、特别是至少一个sic
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mosfet。该dc/dc转换器具有至少一个由硅制成的芯片，该芯片具有至少一个igbt(insulated gate bipolar transistor)、即带有绝缘栅电极的双极型晶体管、尤其是至少一个si
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igbt。具有硅(si)基igbt的dc/dc转换器待连接、可以连接或被连接到电机的两个部件中的第一部件，具有碳化硅(sic)基mosfet的dc/ac转换器待连接、可以连接或被连接到电机的两个部件中的第二部件。
9.在一种设计方案中，逆变器的dc/dc转换器与根据规定作为电机的第一部件的转子连接或可以连接，逆变器的dc/ac转换器与根据规定作为电机的第二部件的定子连接或可以连接。在可能的替代设计方案中，可以想到的是，逆变器的dc/dc转换器与根据规定作为电机的第一部件的定子连接或可以连接，逆变器的dc/ac转换器与根据规定作为电机的第二部件的转子连接或可以连接。
10.逆变器被设计用于电机，该电机被设计为他励同步电机(fsm)。此外，该逆变器可以被设计成或被称为脉冲逆变器。
11.dc/dc转换器具有两个直流端子，其中可以将这两个端子中的一个设计或称作为输入端，将另一个端子设计或称作为输出端。dc/ac转换器具有一个直流端子和一个交流端子，其中，这两个端子中的一个可以被设计或称作为输入端，而另一端子可以被设计或称作为输出端。在这种情况下，dc/dc转换器的第一直流端子和dc/ac转换器的直流端子分别待
连接、可以连接或被连接到作为电源的直流电流源或直流电压源。此外，dc/dc转换器的第二直流端子待连接、可以连接或被连接至电机的第一部件，即转子或定子。dc/ac转换器的交流端子待连接、可以连接或被连接至电机的第二部件，即定子或转子。
12.根据本发明的方法被设置用于利用逆变器、例如上面提出的逆变器的实施方式在电机和电源之间交换电能。电机具有作为部件的转子和定子，其中逆变器具有dc/dc转换器和dc/ac转换器。在此，dc/ac转换器具有至少一个由碳化硅制成、具有至少一个mosfet(金属氧化物半导体场效应晶体管)的芯片，dc/dc转换器具有至少一个由硅制成、具有至少一个igbt(绝缘栅双极型晶体管)的芯片。一方面，逆变器连接到电源，其中两个转换器之一的直流端子分别连接到电源。另一方面，dc/dc转换器、这里是dc/dc转换器的其他直流端子或直流电压端子连接到电机的两个部件中的第一部件，即转子或定子；而dc/ac转换器、这里是dc/ac转换器的交流端子或交流电压端子连接到电机的两个部件中的第二部件，即定子或转子。也可以想到，逆变器可以具有附加的开关，通过该附加的开关可以可选地将dc/dc转换器与转子或与定子连接，并且将dc/ac转换器可选地与定子或与转子连接。
13.在一种设计方案中，该方法被设置用于被设计为直流电流源的电源，其中利用dc/dc转换器将直流电流源的直流电流转换为用于电机的第一部件的直流电流，并且其中利用dc/ac转换器将直流电流源的直流电流转换成用于电机的第二部件的交流电流。这可以在电机作为电动机运行，并且该电机被设计为将电源的电能转换为机械能的情况下实现。在可能的替代或补充变体中，电机可以作为发电机运行，并且被设计为将机械能转化为电能，其中dc/ac转换器至少将电机的第二部件的电能——该电能被提供为交流电流或交流电压——转换为直流电流或直流电压，并将其提供给电源，例如电能存储器。电源可以被设计为电池或蓄电池或能量网，例如被设计为车辆的车载电网。
14.该方法和逆变器可以用于或应用于车辆的电机，其中车辆可以继续由电机驱动。
15.在具有电机和逆变器的系统中，在他励同步电机的直流/交流路径中或者说dc/ac路径中使用由碳化硅(sic)制成的mosfet，并且在他励同步电机(fsm)的直流/直流路径或者说dc/dc路径中使用igbt，由此为他励同步电机的尺寸设计带来了新的自由度。共同设计他励同步电机和相关的功率电子设备/电力电子设备。为了减小sic
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mosfet的芯片面积，作为设计前提应使交流电流或者说ac电流最小化。作为其他的设计前提，规定遵守他励同步电机的转子的转子热损耗，但这在使用转子内部冷却时并不重要。
16.根据该系统提供的并如上所述的方法减小了sic
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mosfet芯片面积，从而直接降低了逆变器的成本。另外定子中的铜也减少了。igbt芯片面积和滑环变送器/滑环传送器/滑环连接器的成本可能会增加。但是，由于每平方毫米碳化硅的价格基本上是硅的3倍到5倍，因此在逆变器中可以获得明显的成本优势。通过该系统将他励同步电机的直流电流增加了大约10％到20％，从而使滑环变送器更加昂贵。但是，如果将sic
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mosfet的成本降低与上述成本增加相结合，则在轴平面或就由他励同步电机驱动的轴而言可以期待节省成本。
17.下面的表1显示了包括电机和对应的逆变器的系统的可能设计示例，该电机在此处为他励磁同步电机(fsm)：
[0018] 老式fsm设计新式fsm设计
ac电流100a87.5afsm
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dc电流5a7asic
‑
mosfet芯片面积100mm287.5mm2si
‑
igbt芯片面积5mm27mm2[0019]
表1
[0020]
根据设计示例可以看到整个芯片面积变小。假设用于mosfet的碳化硅形成了脉冲逆变器成本的约50％，在忽略由硅制成的igbt的芯片面积的增加的情况下，可以将脉冲逆变器成本降低约6％。
[0021]
所提供的逆变器作为电路部分被设置用于电机的功率电子设备，该电机被用作车辆(例如，机动车辆或汽车)的电驱动器。通常由功率电子设备作为牵引逆变器(traktionswechselrichter)驱控三相电机、例如他励同步电机。在设计或称作为电动车辆的车辆中和/或对于大于200v的电池电压的情况下，igbt或sic
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mosfet主要用作在汽车逆变器(例如牵引逆变器)中的可被用于驱控的开关。有时可以选择异步电机或永磁同步电机用于电驱动的车辆。对于这两种电机变型的情况，脉冲逆变器可用作驱控单元。如果在一个设计方案中使用了他励同步电机(fsm)，那么除了dc/ac转换器或者说直流/交流转换器之外，在脉冲逆变器中还为转子提供dc/dc转换器或者说直流/直流转换器以用于产生电流。
[0022]
igbt和mosfet用作逆变器的功率半导体。
[0023]
在具有电机和被设计用于400v电压的功率电子设备的系统中、例如驱动单元中，使用由硅制成的igbt。如果在他励同步电机(fsm)的直流/交流转换器或者说dc/ac转换器中以及在dc/dc转换器中同时使用这些由硅制成的igbt，则应根据设计前提来确定驱动单元的尺寸，以使提供的直流电流或者说dc电流尽可能小，从而优化转子中的损耗并减小滑环变送器的尺寸。作为其他设计前提，规定用于产生所需转矩的交流电流或者说ac电流的相应大小。
[0024]
如果在逆变器的dc/ac转换路径中使用sic
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mosfet，那么该sic
‑
mosfet是逆变器中的主要成本组成部分，进而也是整个要驱动的轴的主要成本组成部分。在应使他励同步电机的直流电流(dc)最小化的设计前提下，发现sic
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mosfet的芯片面积最大，并且不是成本最优的系统。出于效率的原因，碳化硅用于dc/ac转换路径。虽然这从根本上增加了成本，但是如果抵消了为此节省的电源容量、例如节省的电池容量，则由于较低的损耗(尤其是在部分负荷运行中)，在车辆层面具有成本优势。
[0025]
不言而喻，在不脱离本发明的范围的情况下，上面提到的和下面将要解释的特征不仅可以以分别指定的组合使用，而且可以以其他组合或单独使用。
附图说明
[0026]
基于附图中的实施方式示意性地示出了本发明，并且参照附图示意性地并且详细地描述了本发明。
[0027]
图1示出了用于执行根据本发明的方法的实施方式的根据本发明的逆变器的实施方式的示意图。
具体实施方式
[0028]
图1示出了电机10或一种电机的示意图，该电机在此被设计用于驱动车辆、例如机动车辆，该电机具有作为部件的转子2和定子4，这里转子2布置在被定子4包围的空间中，并且在电机10运行期间在定子4内相对于定子4转动。电机10在此被设计为他励同步电机。
[0029]
此外，图1示出了根据本发明的逆变器20的实施方式，该逆变器具有dc/dc转换器6或者说直流/直流转换器以及dc/ac转换器8或者说直流/交流转换器。在此规定，逆变器20被设计用于将电机10的两个所述部件连接到这里未详细示出的电源，例如直流电流源和/或直流电压源。电机10和逆变器20彼此关联，并且形成一个相关的系统。
[0030]
dc/dc转换器6的第一直流端子连接到电源，并且dc/dc转换器6的第二直流端子在这里例如经由滑环变送器连接到作为电机10的第一部件的转子2，并且该dc/dc转换器的第二直流端子被设计为将电源的直流电流转换为用于转子2的直流电流。此外，dc/ac转换器8的直流端子连接到电源，并且dc/ac转换器8的交流端子在这里例如经由导体连接到作为电机10的第二部件的定子4，该dc/ac转换器的交流端子被设计为将电源的直流电流转换为用于定子4的交流电流。
[0031]
dc/ac转换器8具有至少一个由碳化硅制成的芯片，该芯片带有至少一个mosfet、即根据规定带有至少一个由碳化硅制成的mosfet，而dc/dc转换器6具有至少一个由硅制成的芯片，该芯片带有至少一个igbt的芯片、即根据规定带有至少一个由硅制成的igbt。
[0032]
附图标记列表：
[0033]
2 转子
[0034]
4 定子
[0035]
6 dc/dc转换器
[0036]
8 dc/ac转换器
[0037]
10 电机
[0038]
20 逆变器