電動(dòng)壓縮機(jī)設(shè)計(jì)-SiC模塊篇

壓縮機(jī)是汽車空調(diào)的一部分，它通過將制冷劑壓縮成高溫高壓的氣體，再流經(jīng)冷凝器，節(jié)流閥和蒸發(fā)器換熱，實(shí)現(xiàn)車內(nèi)外的冷熱交換。傳統(tǒng)燃油車以發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力，通過皮帶帶動(dòng)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。而新能源汽車脫離了發(fā)動(dòng)機(jī)，以電池為動(dòng)力，通過逆變電路驅(qū)動(dòng)無刷直流電機(jī)，從而帶動(dòng)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)空調(diào)的冷熱交換功能。

電動(dòng)壓縮機(jī)是電動(dòng)汽車熱管理的核心部件，除了可以提高車廂內(nèi)的環(huán)境舒適度（制冷，制熱）以外，對(duì)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的溫度控制發(fā)揮著重要作用，對(duì)電池的使用壽命、充電速度和續(xù)航里程都至關(guān)重要。

圖1 電動(dòng)壓縮機(jī)是電動(dòng)汽車熱管理的核心部件

電動(dòng)壓縮機(jī)需要滿足不斷增加的需求，包括低成本、更小尺寸、更少振動(dòng)和噪聲、更高功率級(jí)別和更高能效。這些需求離不開壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)和優(yōu)秀器件的選型。

電動(dòng)壓縮機(jī)控制器功能包括：驅(qū)動(dòng)電機(jī)（逆變電路：包括ASPM模塊或者分立器件搭載門極驅(qū)動(dòng)，電壓/電流/溫度檢測及保護(hù)，電源轉(zhuǎn)換），與主機(jī)通訊（CAN或者LIN ,接收啟停和轉(zhuǎn)速信號(hào)，發(fā)送運(yùn)行狀態(tài)和故障信號(hào)）等，安森美(onsemi)在每個(gè)電路中都有相應(yīng)的解決方案（圖1）。上一章，我們探討了安森美ASPM模塊方案在電動(dòng)壓縮機(jī)上的應(yīng)用，本文主要討論SiC MOSFET 分立方案。

圖2 電動(dòng)壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)電路控制框圖

1 SiC MOSFET的優(yōu)勢

在上一章中，我們說明了安森美ASPM功率模塊在與分立器件對(duì)比上有極大的優(yōu)勢。如果能把SiC MOSEFT放進(jìn)ASPM模塊是最好的選擇。在SiC MOSEFT ASPM模塊量產(chǎn)之前，SiC MOSEFT分立器件由于其特有的優(yōu)勢，成為眾多電動(dòng)壓縮機(jī)開發(fā)客戶的選擇。

表1 SiC 與Si 器件的物理特性對(duì)比

1.1 SiC MOSEFT材料的優(yōu)勢

●   10倍于si器件電介質(zhì)擊穿場強(qiáng)：更小的晶圓厚度和Rsp，更小的熱阻

●   3倍以上的熱導(dǎo)率：更小的熱阻和更快的電子傳輸速度

●   2倍多的電子飽和速度：更快的開關(guān)速度

●   更好的熱特性：更高的溫度范圍

1.2 更小損耗及更高效率

以安森美適用于800V平臺(tái)電動(dòng)壓縮機(jī)應(yīng)用的最新一代IGBT AFGHL40T120RWD 和SiC MOSEFT NVHL070N120M3S 為例，根據(jù)I/V曲線來評(píng)估開通損耗， 在電流小于18A時(shí)，SiC MOSEFT的導(dǎo)通壓降都是小于IGBT的，而電動(dòng)壓縮機(jī)在路上行駛過程中，運(yùn)行電流會(huì)一直處于18A區(qū)間以內(nèi)。即使是在極限電流下運(yùn)行（比如快充時(shí)，壓縮機(jī)給電池散熱），有效值接近20A，在電流的整個(gè)正弦波周期內(nèi)，SiC MOSEFT的開通損耗也不比IGBT差。

圖3  SiC和IGBT開通特性對(duì)比

開關(guān)損耗方面，SiC MOSEFT優(yōu)勢明顯，雖然規(guī)格書的測試條件有一些差異，但可以看出SiC MOSEFT的開關(guān)損耗遠(yuǎn)小于IGBT。

表2  SiC和IGBT開關(guān)特性對(duì)比

我們使用相近電流規(guī)格的IGBT和SiC MOSEFT做了效率仿真，在最大功率下，SiC 也可以有效提高系統(tǒng)效率，尤其在高頻應(yīng)用中更加明顯。

圖4 電機(jī)應(yīng)用中相近規(guī)格的IGBT /SiC MOSEFT效率對(duì)比

1.3 適用于高頻應(yīng)用

SiC MOSEFT是單極性器件，沒有拖尾電流，開關(guān)速度比IGBT快很多。這也是SiC MOSEFT比IGBT更適用于更高頻率應(yīng)用的原因。而更高的驅(qū)動(dòng)頻率（比如20kHz或以上），可以有效減小電機(jī)的噪音，提高電機(jī)系統(tǒng)的響應(yīng)速度和動(dòng)態(tài)抗干擾能力。另外，更高的頻率也會(huì)減少輸出電流的諧波失真，并能有效降低電機(jī)中線圈的損耗，進(jìn)而提高壓縮機(jī)的整體效率。

1.4 減少死區(qū)時(shí)間

在電機(jī)應(yīng)用中，為了使開關(guān)管工作可靠，避免由于關(guān)斷延遲效應(yīng)造成上下橋臂直通，需要設(shè)置死區(qū)時(shí)間 t_dead，也就是上下橋臂同時(shí)關(guān)斷時(shí)間。由于SiC MOSEFT的開關(guān)時(shí)間短，實(shí)際應(yīng)用中，可以使用更小的死區(qū)時(shí)間，以改善死區(qū)大，輸出波形失真大，驅(qū)動(dòng)器輸出效率低的問題。

2 SiC MOSEFT使用過程需要考慮的問題及解決辦法

2.1 驅(qū)動(dòng)電壓的選擇

從不同驅(qū)動(dòng)電壓下的I/V曲線可以看出，Rdson會(huì)隨著驅(qū)動(dòng)電壓的增加而減小。這意味著，驅(qū)動(dòng)電壓越高，導(dǎo)通損耗越小。但是芯片門極的耐壓是有限的，比如NVH4L070N120M3S的驅(qū)動(dòng)Vgs電壓范圍是?10V/+22V，而在SiC MOSEFT開關(guān)過程中，Vgs也會(huì)受到高dV/dt和雜散電感的影響，疊加一些電壓毛刺，因此Vgs有必要留一定的裕量。

圖5 不同Vgs下的I-V曲線

2.2 低閾值電壓V_th的問題

SiC MOSEFT（尤其是平面型）具有在2V-4V范圍內(nèi)的典型閾值電壓V_th，并且隨著溫度的升高，V_th還會(huì)進(jìn)一步降低。另一方面，在半橋應(yīng)用電路中，由于SiC MOSEFT開關(guān)過程的dV/dt很高，通過另一個(gè)半橋SiC MOSEFT的Cgd產(chǎn)生的電流流過驅(qū)動(dòng)電阻，在Vgs上產(chǎn)生一個(gè)電壓，如果此電壓高于V_th就會(huì)有誤導(dǎo)通的風(fēng)險(xiǎn)，導(dǎo)致上下橋直通。因此在驅(qū)動(dòng)上增加負(fù)電壓是有必要的。從下圖可以看出，增加負(fù)電壓還可以有效降低關(guān)斷損耗，使系統(tǒng)效率進(jìn)一步提升。

使用安森美第三代的SiC MOSEFT，我們推薦使用+18V / -3V的電源驅(qū)動(dòng)。

圖6 不同關(guān)斷電壓下的開關(guān)損耗對(duì)比

圖7  V_th-溫度特性曲線

2.3 有限的短路能力

SiC MOSEFT相對(duì)IGBT來說，Die尺寸很小，電流密度很高，發(fā)生短路時(shí)很難在極短時(shí)間內(nèi)把短路產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)出去。另外，SiC MOSFET 在電流過大的情況下不會(huì)出現(xiàn)急劇飽和行為（與IGBT不同）。短路發(fā)生時(shí)電流很容易達(dá)到額定電流額定值的 10倍以上，與IGBT 運(yùn)行相比要高得多。

因此，SiC MOSEFT的短路耐受時(shí)間相對(duì)較短，某些產(chǎn)品低于2us?？焖贆z測和快速關(guān)斷對(duì)于 SiC MOSEFT的可靠運(yùn)行和長壽命至關(guān)重要。帶有去飽和功能（desat）的驅(qū)動(dòng)芯片可以應(yīng)對(duì)這種情況。通過設(shè)置desat保護(hù)的響應(yīng)時(shí)間低于1us，可以有效的應(yīng)對(duì)電動(dòng)壓縮機(jī)運(yùn)行過程中可能存在的短路情況。

3 SiC MOSEFT驅(qū)動(dòng)芯片的選擇

在電動(dòng)壓縮機(jī)應(yīng)用中，需要應(yīng)對(duì)下橋和三路上橋的電源需求，增加負(fù)電源并不容易。針對(duì)這種情況，推薦使用自身可產(chǎn)生負(fù)壓，帶有desat保護(hù)，欠電壓保護(hù)UVLO以及過熱保護(hù)功能的專用SiC MOSEFT驅(qū)動(dòng)芯片 NCV51705?；竟δ苋缦拢?/p>

· Source/ Sink 電流： 6A/6A

· Desat保護(hù)

· 可調(diào)負(fù)壓輸出：-3.4V / -5V / -8V

· 可調(diào)欠壓保護(hù)UVLO電壓

· 5V參考電壓輸出（供電給其他器件，比如隔離芯片）

· 過熱保護(hù)

應(yīng)用電路推薦如下（下橋可以不用隔離）

圖8 NCV51705半橋應(yīng)用電路

4 安森美的汽車級(jí)SiC MOSFET 分立器件

安森美有豐富的SiC MOSFET 產(chǎn)品，可以覆蓋市面上所有的分立電動(dòng)壓縮機(jī)方案。以下是適用于800V平臺(tái)電動(dòng)壓縮機(jī)的產(chǎn)品型號(hào)。

圖9 安森美(onsemi)部分1200V SiC產(chǎn)品（電動(dòng)壓縮機(jī)）

圖10 安森美(onsemi) SiC MOSFET 產(chǎn)品系列

結(jié)語

盡管SiC MOSFET在電動(dòng)壓縮機(jī)應(yīng)用中存在一些挑戰(zhàn)，但通過合理的設(shè)計(jì)和技術(shù)選擇，可以有效地提高驅(qū)動(dòng)頻率、降低系統(tǒng)噪聲并提高效率，最終有助于增加電動(dòng)汽車的續(xù)航里程。

(本文登在EEPW 2024年9月期)