電動(dòng)壓縮機(jī)設(shè)計(jì)-SiC模塊篇
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壓縮機(jī)是汽車(chē)空調(diào)的一部分，它通過(guò)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(chē)內(nèi)外的冷熱交換。傳統(tǒng)燃油車(chē)以發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力，通過(guò)皮帶帶動(dòng)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。而新能源汽車(chē)脫離了發(fā)動(dòng)機(jī)，以電池為動(dòng)力，通過(guò)逆變電路驅(qū)動(dòng)無(wú)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。
本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/202409/463213.htm電動(dòng)壓縮機(jī)是電動(dòng)汽車(chē)熱管理的核心部件，除了可以提高車(chē)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(chē)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(kāi)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(mén)極驅(qū)動(dòng)，電壓/電流/溫度檢測(cè)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
SiC MOSFET的優(yōu)勢(shì)
在上一章中，我們說(shuō)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(shì)。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(shì)，成為眾多電動(dòng)壓縮機(jī)開(kāi)發(fā)客戶的選擇。
表1 SiC 與Si 器件的物理特性對(duì)比
物理特性指標(biāo) | 4H-SiC | Si |
禁帶寬度（eV） | 3.26 | 1.12 |
臨界擊穿電場(chǎng)（mv/cm） | 3 | 0.3 |
熱導(dǎo)率（W/cm*K） | 4.9 | 1.5 |
飽和電子漂移速度（10^7cm/s） | 2.5 | 1 |
理論最高耐受結(jié)溫（℃） | 600 | 175 |
1.SiC MOSEFT材料的優(yōu)勢(shì)
● 10倍于si器件電介質(zhì)擊穿場(chǎng)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(kāi)關(guān)速度
● 更好的熱特性：更高的溫度范圍
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(lái)評(píng)估開(kāi)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(guò)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(kāi)通損耗也不比IGBT差。
圖3 SiC和IGBT開(kāi)通特性對(duì)比
開(kāi)關(guān)損耗方面，SiC MOSEFT優(yōu)勢(shì)明顯，雖然規(guī)格書(shū)的測(cè)試條件有一些差異，但可以看出SiC MOSEFT的開(kāi)關(guān)損耗遠(yuǎn)小于IGBT。
表2 SiC和IGBT開(kāi)關(guān)特性對(duì)比
Symbol | Test Condition | NVHL070N120M3S | AFGHL40T120RWD | Unit |
td(ON) | Sic Mosfet: VDS = 800 V, VGS = ?3/18 V, | 10 | 50.1 | ns |
tr | 24 | 293 | ns | |
td(OFF) | 29 | 30.9 | ns | |
tf | 9.6 | 189 | ns | |
EON | 254 | 1370 | uJ | |
EOFF | 46 | 1350 | uJ | |
Etot | 300 | 2720 | uJ |
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
3.適用于高頻應(yīng)用
SiC MOSEFT是單極性器件，沒(méi)有拖尾電流，開(kāi)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。
4.減少死區(qū)時(shí)間
在電機(jī)應(yīng)用中，為了使開(kāi)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 tdead，也就是上下橋臂同時(shí)關(guān)斷時(shí)間。由于SiC MOSEFT的開(kāi)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(wèn)題。
SiC MOSEFT使用過(guò)程需要考慮的問(wèn)題及解決辦法
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(mén)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(kāi)關(guān)過(guò)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.低閾值電壓Vth的問(wèn)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Vth，并且隨著溫度的升高，Vth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(kāi)關(guān)過(guò)程的dV/dt很高，通過(guò)另一個(gè)半橋SiC MOSEFT的Cgd產(chǎn)生的電流流過(guò)驅(qū)動(dòng)電阻，在Vgs上產(chǎn)生一個(gè)電壓，如果此電壓高于Vth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(kāi)關(guān)損耗對(duì)比
圖7 Vth-溫度特性曲線
3.有限的短路能力
SiC MOSEFT相對(duì)IGBT來(lái)說(shuō)，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(guò)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(cè)和快速關(guān)斷對(duì)于 SiC MOSEFT的可靠運(yùn)行和長(zhǎng)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(guò)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(guò)程中可能存在的短路情況。
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(guò)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(guò)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
安森美的汽車(chē)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)。
Voltage | RDS(ON)(mΩ) | TO-247-3L | TO-247-4L | D2PAK-7L | BPAK |
1200V M1 | 40 | NVHL040N120SC1 | NVH4L040N120SC1 | NVBG040N120SC1 | |
1200V M1 | 80 | NVHL080N120SC1A | NVH4L080N120SC1 | NVBG080N120SC1 | |
1200V M3S | 40 | NVH4L040N120M3S | NVBG040N120M3S | ||
1200V M3S | 65 | NVHL070N120M3S | NVH4L070N120M3S | NVBG070N120M3S |
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(yǔ)
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(guò)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(chē)的續(xù)航里程。
評(píng)論