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電動壓縮機設(shè)計-SiC模塊篇

本文作者：安森美公司點擊： 2024-09-25 10:58

前言：

壓縮機是汽車空調(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，實現(xiàn)車內(nèi)外的冷熱交換。傳統(tǒng)燃油車以發(fā)動機為動力，通過皮帶帶動壓縮機轉(zhuǎn)動。而新能源汽車脫離了發(fā)動機，以電池為動力，通過逆變電路驅(qū)動無刷直流電機，從而帶動壓縮機轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)空調(diào)的冷熱交換功能。

電動壓縮機是電動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，對電驅(qū)動系統(tǒng)的溫度控制發(fā)揮著重要作用，對電池的使用壽命、充電速度和續(xù)航里程都至關(guān)重要。

圖1：電動壓縮機是電動汽車熱管理的核心部件

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

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

圖2 電動壓縮機驅(qū)動電路控制框圖

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比上有極大的優(yōu)勢。如果能把SiC MOSEFT放進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，成為眾多電動壓縮機開發(fā)客戶的選擇。

物理特性指標	4H-SiC	Si
禁帶寬度（eV）	3.26	1.12
臨界擊穿電場（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

表1：SiC 與Si 器件的物理特性對比

1. SiC MOSEFT材料的優(yōu)勢

• 10倍于si器件電介質(zhì)擊穿場強：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

2.更小損耗及更高效率

以安森美適用于800V平臺電動壓縮機應(yīng)用的最新一代IGBT AFGHL40T120RWD 和SiC MOSEFT NVHL070N120M3S 為例，根據(jù)I/V曲線來評估開通損耗，在電流小于18A時，SiC MOSEFT的導(dǎo)通壓降都是小于IGBT的，而電動壓縮機在路上行駛過程中，運行電流會一直處于18A區(qū)間以內(nèi)。即使是在極限電流下運行（比如快充時，壓縮機給電池散熱），有效值接近20A，在電流的整個正弦波周期內(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)損耗遠小于IGBT。

Symbol	Test Condition	NVHL070N120M3S	AFGHL40T120RWD	Unit
td(ON)	Sic Mosfet: VDS = 800 V, VGS = −3/18 V, ID = 15 A, RG = 4.7ohm IGBT: VCE = 600 V, VGE = 0/15 V, IC = 20 A, RG = 4.7ohm	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

表2： SiC 和IGBT 開關(guān)特性對比

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：電機應(yīng)用中相近規(guī)格的IGBT /SiC MOSEFT效率對比

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)動頻率（比如20kHz或以上），可以有效減小電機的噪音，提高電機系統(tǒng)的響應(yīng)速度和動態(tài)抗干擾能力。另外，更高的頻率也會減少輸出電流的諧波失真，并能有效降低電機中線圈的損耗，進而提高壓縮機的整體效率。

4. 減少死區(qū)時間

在電機應(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)時間 tdead，也就是上下橋臂同時關(guān)斷時間。由于SiC MOSEFT的開關(guān)時間短，實際應(yīng)用中，可以使用更小的死區(qū)時間，以改善死區(qū)大，輸出波形失真大，驅(qū)動器輸出效率低的問題。

SiC MOSEFT使用過程需要考慮的問題及解決辦法

1. 驅(qū)動電壓的選擇

從不同驅(qū)動電壓下的I/V曲線可以看出，Rdson會隨著驅(qū)動電壓的增加而減小。這意味著，驅(qū)動電壓越高，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Vgs電壓范圍是−10V/+22V，而在SiC MOSEFT開關(guān)過程中，Vgs也會受到高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還會進一步降低。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，通過另一個半橋SiC MOSEFT的Cgd產(chǎn)生的電流流過驅(qū)動電阻，在Vgs上產(chǎn)生一個電壓，如果此電壓高于Vth就會有誤導(dǎo)通的風(fēng)險，導(dǎo)致上下橋直通。因此在驅(qū)動上增加負電壓是有必要的。從下圖可以看出，增加負電壓還可以有效降低關(guān)斷損耗，使系統(tǒng)效率進一步提升。

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。

圖6：不同關(guān)斷電壓下的開關(guān)損耗對比

圖7： Vth-溫度特性曲線

3.有限的短路能力

SiC MOSEFT相對IGBT來說，Die尺寸很小，電流密度很高，發(fā)生短路時很難在極短時間內(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出現(xiàn)急劇飽和行為（與IGBT不同）。短路發(fā)生時電流很容易達到額定電流額定值的 10倍以上，與IGBT 運行相比要高得多。

因此，SiC MOSEFT的短路耐受時間相對較短，某些產(chǎn)品低于2us。快速檢測和快速關(guān)斷對于 SiC MOSEFT的可靠運行和長壽命至關(guān)重要。帶有去飽和功能（desat）的驅(qū)動芯片可以應(yīng)對這種情況。通過設(shè)置desat保護的響應(yīng)時間低于1us，可以有效的應(yīng)對電動壓縮機運行過程中可能存在的短路情況。

SiC MOSEFT驅(qū)動芯片的選擇

在電動壓縮機應(yīng)用中，需要應(yīng)對下橋和三路上橋的電源需求，增加負電源并不容易。針對這種情況，推薦使用自身可產(chǎn)生負壓，帶有desat保護，欠電壓保護UVLO以及過熱保護功能的專用SiC MOSEFT驅(qū)動芯片 NCV51705。基本功能如下：

Source/ Sink 電流： 6A/6A

Desat保護

可調(diào)負壓輸出：-3.4V / -5V / -8V

可調(diào)欠壓保護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

應(yīng)用電路推薦如下（下橋可以不用隔離）