IGBT –電動(dòng)汽車空調(diào)的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)

前言

與使用內(nèi)燃機(jī)的傳統(tǒng)汽車相比，電動(dòng)汽車的能效要高得多，但這也帶來一個(gè)問題：來自電機(jī)的廢熱不再足以滿足車內(nèi)的取暖需求。要想滿足取暖需求，必須將電池中存儲(chǔ)的部分電能轉(zhuǎn)換為熱能。為了實(shí)現(xiàn)不依賴于工作溫度或電池電壓的可調(diào)加熱功率，在新一代高壓加熱器中使用了功率半導(dǎo)體，來控制從電池到加熱元件的能量流。由加熱元件加熱冷媒，并通過熱交換器將冷媒輸送到車輛的空調(diào)系統(tǒng)中，最后由鼓風(fēng)機(jī)將暖風(fēng)輸送到車內(nèi)。參見圖1原理圖。

圖1.  電動(dòng)汽車中高壓加熱器的工作模式

普通的電動(dòng)汽車需要5kW~7kW的加熱功率來滿足取暖所需。如果汽車的加熱系統(tǒng)僅通過負(fù)載電阻（加熱元件）進(jìn)行加熱，則該功率范圍會(huì)相應(yīng)地縮小。但是，也有一些加熱系統(tǒng)不僅僅依靠電阻來發(fā)熱，而是使用了熱泵原理：通過外部提供能量的方式將熱能從冷源（環(huán)境）傳遞到熱源（車內(nèi)）。熱泵的能量平衡性優(yōu)于負(fù)載電阻加熱的方式，并且對(duì)功率范圍的影響較小。然而，使用這種加熱系統(tǒng)時(shí)，造車成本會(huì)增加，并且其實(shí)用性取決于環(huán)境溫度。在冬季非常寒冷的地區(qū)，這種系統(tǒng)無法產(chǎn)生足夠的熱量，在這些地方，傳統(tǒng)的電阻加熱器是必不可少的。

加熱系統(tǒng)不僅能夠確保乘坐者的舒適性，還具有重要的安全功能。例如，為車窗除霜或進(jìn)行車內(nèi)除濕，從而使駕駛員可以清晰地看到外面的路況。電池需要一定的工作溫度，而加熱器可以確保電池始終處于正常的工作溫度范圍內(nèi)。如果出現(xiàn)高壓峰值，加熱器還可以充當(dāng)放電電阻；如果汽車電氣系統(tǒng)的電壓異常升高，則該系統(tǒng)能夠吸收異常能量，從而限制過電壓的程度。這些功能可以保護(hù)電池以及與汽車電氣系統(tǒng)相連接的其他系統(tǒng)。

圖2.  具有兩個(gè)加熱元件的高壓加熱器的基本電路

簡(jiǎn)易的電阻加熱器如圖2所示。開關(guān)的占空比可調(diào)，能夠使功率輸出始終與設(shè)定值匹配。幾個(gè)（通常是兩個(gè)或三個(gè)）加熱支路并聯(lián)，以更好地進(jìn)行熱量分散。為了在發(fā)生故障時(shí)能夠安全地關(guān)斷加熱系統(tǒng)，需要配置安全開關(guān)，并在正常運(yùn)行期間確保安全開關(guān)始終處于接通狀態(tài)。如果發(fā)生故障，這些開關(guān)將關(guān)斷，從而斷開加熱元件與車輛的高壓電氣系統(tǒng)的連接。

ROHM的 RGS IGBT產(chǎn)品系列符合AEC-Q101標(biāo)準(zhǔn)

該案例中使用的斷路器只有IGBT。這種IGBT技術(shù)在大電流條件下具有非常好的傳導(dǎo)特性。雖然與MOSFET相比開關(guān)損耗較高，但基本可以忽略，因?yàn)殚_關(guān)頻率通常在幾十赫茲（兩位數(shù)）至幾千赫茲的范圍之間。此外，產(chǎn)品陣容中包括650V和1200V兩種電壓級(jí)，都是普通加熱系統(tǒng)中常用的電壓級(jí)。表1中列出了ROHM提供的符合AEC-Q101標(biāo)準(zhǔn)的分立封裝RGS系列IGBT，非常適用于這類應(yīng)用。這些IGBT具有非常高的可靠性，能夠滿足加熱器的典型要求，下面進(jìn)一步進(jìn)行詳細(xì)介紹。

表 1  ROHM IGBT RGS系列的產(chǎn)品陣容

大多數(shù)為400V電池設(shè)計(jì)的系統(tǒng)通常使用650V的IGBT。然而，近年來，為了提高加熱器的耐壓能力，越來越傾向于使用1200V的解決方案。如果從電池到加熱器的電源突然中斷，則汽車電氣系統(tǒng)中的線路會(huì)產(chǎn)生明顯的過電壓，甚至可能會(huì)損壞開關(guān)。因此，可以利用功率半導(dǎo)體具有較高的擊穿電壓這一特性來防止加熱器損壞。1200V IGBT支持800V的電池系統(tǒng)，并且可以通過串聯(lián)的方式來增加過壓負(fù)載能力。

該應(yīng)用的另一個(gè)特點(diǎn)是開關(guān)速度（dVCE / dt，dIC / dt）。開關(guān)速度取決于系統(tǒng)。與其他大部分旨在實(shí)現(xiàn)高速開關(guān)頻率的應(yīng)用相反，在該應(yīng)用案例中，開關(guān)速度通常被限制在較低水平。究其原因，一方面是受制于EMC（電磁兼容性）的局限性，另一方面是由于不使用濾波器或盡可能地減少濾波器以節(jié)省成本的設(shè)計(jì)思想。一種簡(jiǎn)單的方法是降低IGBT在開關(guān)過程中的速度，以減少開關(guān)上升沿和下降沿的高次諧波成分。雖然這種解決方案會(huì)導(dǎo)致IGBT在開關(guān)過程中的損耗增加，但并不需要為此增加任何元器件?？梢酝ㄟ^降低開關(guān)頻率來補(bǔ)償增加的損耗。開關(guān)時(shí)間在幾微秒（個(gè)位數(shù)）的范圍內(nèi)。在極少數(shù)情況下，可以達(dá)到十幾微秒（較小的兩位數(shù)）的程度。圖3為柵極電阻在千歐范圍內(nèi)的IGBT導(dǎo)通過程示例。由于是阻性負(fù)載，而不是常見的感性負(fù)載，因此電壓曲線和電流曲線在開關(guān)過程中會(huì)交叉。

圖3.  具有阻性負(fù)載且RG = 1.1kΩ的IGBT（RGS80TSX2DHR）的導(dǎo)通過程

盡管這種處理IGBT的方式對(duì)于有經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)人員來說似乎不太常見，但也并不是完全不可行。不過，也不要把開關(guān)時(shí)間降得太慢。應(yīng)避免IGBT在每次開關(guān)期間出現(xiàn)過大的溫度尖峰，以免損害功率循環(huán)能力。另外，極慢的開關(guān)時(shí)間對(duì)于IGBT來說可能也存在風(fēng)險(xiǎn)，因?yàn)樗陂_關(guān)過程中會(huì)以較低的柵極電壓工作。根據(jù)ROHM的經(jīng)驗(yàn)，適當(dāng)減緩開關(guān)速度并不會(huì)引發(fā)問題。憑借從各種項(xiàng)目中獲得并積累的寶貴經(jīng)驗(yàn)，ROHM能夠?yàn)榭蛻舻脑u(píng)估提供有效的建議，以幫助客戶找到更好的解決方案。

IGBT還有一個(gè)不容忽視的特點(diǎn)，即短路耐受能力（確保在出現(xiàn)故障時(shí)關(guān)斷）。通常，短路檢測(cè)需要幾微秒的時(shí)間才能做出反應(yīng)。ROHM RGS系列IGBT中，650V級(jí)產(chǎn)品的短路耐受時(shí)間為8μs，1200V級(jí)產(chǎn)品的短路耐受時(shí)間為10μs。出色的短路耐受能力有助于成功地實(shí)施故障處理對(duì)策。

選擇功率半導(dǎo)體的另一原因是封裝。在該應(yīng)用案例中，主要使用采用通孔插裝技術(shù)（THT）的元器件。將它們連接到外部散熱器，可以輕松地實(shí)現(xiàn)冷卻。但是，由于通孔插裝技術(shù)需要額外的工序，因此在生產(chǎn)過程中存在其缺點(diǎn)。而采用表面貼裝技術(shù)（SMT）的元器件（例如常見的TO-263封裝產(chǎn)品）可以直接與其他元器件焊接在一起，更具成本優(yōu)勢(shì)。盡管該技術(shù)必須通過PCB散熱，對(duì)散熱的要求更高，但這并不妨礙當(dāng)今的一些制造商考慮使用該技術(shù)。ROHM一直致力于相關(guān)研究，以便及時(shí)做出反應(yīng)。目前，正在開發(fā)采用SMT技術(shù)的產(chǎn)品，不斷地?cái)U(kuò)充RGS系列IGBT的產(chǎn)品陣容。圖4為ROHM RGS系列IGBT采用的不同封裝規(guī)格。

圖4.  RGS系列IGBT的封裝陣容

當(dāng)然，除了IGBT，ROHM的產(chǎn)品群中還有其他很多產(chǎn)品也適用于高壓加熱器。其中包括柵極驅(qū)動(dòng)器IC、分流電阻、比較器、運(yùn)算放大器和穩(wěn)壓器。在IGBT領(lǐng)域，ROHM是能夠提供符合AEC-Q101標(biāo)準(zhǔn)的全系列IGBT產(chǎn)品。這些產(chǎn)品采用TO-247封裝，額定電流為30~50A，分是/否內(nèi)置二極管兩種。此外，還計(jì)劃在2020年在RGS系列中新增SMD產(chǎn)品：650V電壓級(jí)、TO-263-3L封裝、15~40A、是/否內(nèi)置二極管的IGBT；產(chǎn)品陣容還將新增采用TO-247封裝、額定電流更大的產(chǎn)品，即650V電壓級(jí)、將50A的額定電流提高到75A的產(chǎn)品。豐富的產(chǎn)品陣容將使客戶的選擇范圍更廣，客戶可以根據(jù)加熱器的工作條件從中選擇更佳產(chǎn)品。