電動壓縮機設計-SiC模塊篇

壓縮機是汽車空調的一部分，它通過將制冷劑壓縮成高溫高壓的氣體，再流經冷凝器，節流閥和蒸發器換熱，實現車內外的冷熱交換。傳統燃油車以發動機為動力，通過皮帶帶動壓縮機轉動。而新能源汽車脫離了發動機，以電池為動力，通過逆變電路驅動無刷直流電機，從而帶動壓縮機轉動，實現空調的冷熱交換功能。

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的環境舒適度（制冷，制熱）以外，對電驅動系統的溫度控制發揮著重要作用，對電池的使用壽命、充電速度和續航里程都至關重要。

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動電路的設計和優秀器件的選型。

電動壓縮機控制器功能包括：驅動電機（逆變電路：包括ASPM模塊或者分立器件搭載門極驅動，電壓/電流/溫度檢測及保護，電源轉換），與主機通訊（CAN或者LIN ,接收啟停和轉速信號，發送運行狀態和故障信號）等，安森美(onsemi)在每個電路中都有相應的解決方案（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用，本文主要討論SiC MOSFET 分立方案。

圖2 電動壓縮機驅動電路控制框圖

1 SiC MOSFET的優勢

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模塊量產之前，SiC MOSEFT分立器件由于其特有的優勢，成為眾多電動壓縮機開發客戶的選擇。

表1 SiC 與Si 器件的物理特性對比

1.1 SiC MOSEFT材料的優勢

●   10倍于si器件電介質擊穿場強：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平臺電動壓縮機應用的最新一代IGBT AFGHL40T120RWD 和SiC MOSEFT NVHL070N120M3S 為例，根據I/V曲線來評估開通損耗， 在電流小于18A時，SiC MOSEFT的導通壓降都是小于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區間以內。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，SiC MOSEFT的開通損耗也不比IGBT差。

圖3  SiC和IGBT開通特性對比

開關損耗方面，SiC MOSEFT優勢明顯，雖然規格書的測試條件有一些差異，但可以看出SiC MOSEFT的開關損耗遠小于IGBT。

表2  SiC和IGBT開關特性對比

我們使用相近電流規格的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效率，尤其在高頻應用中更加明顯。

圖4 電機應用中相近規格的IGBT /SiC MOSEFT效率對比

1.3 適用于高頻應用

SiC MOSEFT是單極性器件，沒有拖尾電流，開關速度比IGBT快很多。這也是SiC MOSEFT比IGBT更適用于更高頻率應用的原因。而更高的驅動頻率（比如20kHz或以上），可以有效減小電機的噪音，提高電機系統的響應速度和動態抗干擾能力。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。

1.4 減少死區時間

在電機應用中，為了使開關管工作可靠，避免由于關斷延遲效應造成上下橋臂直通，需要設置死區時間 t_dead，也就是上下橋臂同時關斷時間。由于SiC MOSEFT的開關時間短，實際應用中，可以使用更小的死區時間，以改善死區大，輸出波形失真大，驅動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 驅動電壓的選擇

從不同驅動電壓下的I/V曲線可以看出，Rdson會隨著驅動電壓的增加而減小。這意味著，驅動電壓越高，導通損耗越小。但是芯片門極的耐壓是有限的，比如NVH4L070N120M3S的驅動Vgs電壓范圍是?10V/+22V，而在SiC MOSEFT開關過程中，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

2.2 低閾值電壓V_th的問題

SiC MOSEFT（尤其是平面型）具有在2V-4V范圍內的典型閾值電壓V_th，并且隨著溫度的升高，V_th還會進一步降低。另一方面，在半橋應用電路中，由于SiC MOSEFT開關過程的dV/dt很高，通過另一個半橋SiC MOSEFT的Cgd產生的電流流過驅動電阻，在Vgs上產生一個電壓，如果此電壓高于V_th就會有誤導通的風險，導致上下橋直通。因此在驅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斷損耗，使系統效率進一步提升。

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

圖6 不同關斷電壓下的開關損耗對比

圖7  V_th-溫度特性曲線

2.3 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，發生短路時很難在極短時間內把短路產生的熱量傳導出去。另外，SiC MOSFET 在電流過大的情況下不會出現急劇飽和行為（與IGBT不同）。短路發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，某些產品低于2us。快速檢測和快速關斷對于 SiC MOSEFT的可靠運行和長壽命至關重要。帶有去飽和功能（desat）的驅動芯片可以應對這種情況。通過設置desat保護的響應時間低于1us，可以有效的應對電動壓縮機運行過程中可能存在的短路情況。

3 SiC MOSEFT驅動芯片的選擇

在電動壓縮機應用中，需要應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驅動芯片 NCV51705。基本功能如下：

· Source/ Sink 電流： 6A/6A

· Desat保護

· 可調負壓輸出：-3.4V / -5V / -8V

· 可調欠壓保護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

應用電路推薦如下（下橋可以不用隔離）

圖8 NCV51705半橋應用電路

4 安森美的汽車級SiC MOSFET 分立器件

安森美有豐富的SiC MOSFET 產品，可以覆蓋市面上所有的分立電動壓縮機方案。以下是適用于800V平臺電動壓縮機的產品型號。

圖9 安森美(onsemi)部分1200V SiC產品（電動壓縮機）

圖10 安森美(onsemi) SiC MOSFET 產品系列

結語

盡管SiC MOSFET在電動壓縮機應用中存在一些挑戰，但通過合理的設計和技術選擇，可以有效地提高驅動頻率、降低系統噪聲并提高效率，最終有助于增加電動汽車的續航里程。

(本文登在EEPW 2024年9月期)