电动压缩机设计－SiC模块篇

作者：安森美公司

压缩机是汽车空调的一部分，它通过将制冷剂压缩成高温高压的气体，再流经冷凝器，节流阀和蒸发器换热，实现车内外的冷热交换。传统燃油车以发动机为动力，通过皮带带动压缩机转动。而新能源汽车脱离了发动机，以电池为动力，通过逆变电路驱动无刷直流电机，从而带动压缩机转动，实现空调的冷热交换功能。

电动压缩机是电动汽车热管理的核心部件，除了可以提高车厢内的环境舒适度（制冷，制热）以外，对电驱动系统的温度控制发挥着重要作用，对电池的使用寿命、充电速度和续航里程都至关重要。

图1：电动压缩机是电动汽车热管理的核心部件

电动压缩机需要满足不断增加的需求，包括低成本、更小尺寸、更少振动和噪声、更高功率级别和更高能效。这些需求离不开压缩机驱动电路的设计和优秀器件的选型。

电动压缩机控制器功能包括：驱动电机（逆变电路：包括ASPM模块或者分立器件搭载门极驱动，电压/电流/温度检测及保护，电源转换），与主机通讯（CAN或者LIN ,接收启停和转速信号，发送运行状态和故障信号）等，安森美(onsemi)在每个电路中都有相应的解决方案（图1）。上一章，我们探讨了安森美ASPM模块方案在电动压缩机上的应用，本文主要讨论SiC MOSFET 分立方案。

图2 电动压缩机驱动电路控制框图

SiC MOSFET的优势

在上一章中，我们说明了安森美ASPM功率模块在与分立器件对比上有极大的优势。如果能把SiC MOSEFT放进ASPM模块是最好的选择。在SiC MOSEFT ASPM模块量产之前，SiC MOSEFT分立器件由于其特有的优势，成为众多电动压缩机开发客户的选择。

表1：SiC 与Si 器件的物理特性对比

1. SiC MOSEFT材料的优势

• 10倍于si器件电介质击穿场强：更小的晶圆厚度和Rsp，更小的热阻
• 3倍以上的热导率：更小的热阻和更快的电子传输速度
• 2倍多的电子饱和速度：更快的开关速度
• 更好的热特性：更高的温度范围

2.更小损耗及更高效率

以安森美适用于800V平台电动压缩机应用的最新一代IGBT AFGHL40T120RWD 和SiC MOSEFT NVHL070N120M3S 为例，根据I/V曲线来评估开通损耗， 在电流小于18A时，SiC MOSEFT的导通压降都是小于IGBT的，而电动压缩机在路上行驶过程中，运行电流会一直处于18A区间以内。即使是在极限电流下运行（比如快充时，压缩机给电池散热），有效值接近20A，在电流的整个正弦波周期内，SiC MOSEFT的开通损耗也不比IGBT差。

图3： SiC 和IGBT 开通特性对比

开关损耗方面，SiC MOSEFT优势明显，虽然规格书的测试条件有一些差异，但可以看出SiC MOSEFT的开关损耗远小于IGBT。

 表2： SiC 和IGBT 开关特性对比

我们使用相近电流规格的IGBT和SiC MOSEFT做了效率仿真，在最大功率下，SiC 也可以有效提高系统效率，尤其在高频应用中更加明显。

图4： 电机应用中相近规格的IGBT /SiC MOSEFT效率对比

3. 适用于高频应用

SiC MOSEFT是单极性器件，没有拖尾电流，开关速度比IGBT快很多。这也是SiC MOSEFT比IGBT更适用于更高频率应用的原因。而更高的驱动频率（比如20kHz或以上），可以有效减小电机的噪音，提高电机系统的响应速度和动态抗干扰能力。另外，更高的频率也会减少输出电流的谐波失真，并能有效降低电机中线圈的损耗，进而提高压缩机的整体效率。

4. 减少死区时间

在电机应用中，为了使开关管工作可靠，避免由于关断延迟效应造成上下桥臂直通，需要设置死区时间 t_dead，也就是上下桥臂同时关断时间。由于SiC MOSEFT的开关时间短，实际应用中，可以使用更小的死区时间，以改善死区大，输出波形失真大，驱动器输出效率低的问题。

SiC MOSEFT使用过程需要考虑的问题及解决办法

1.驱动电压的选择

从不同驱动电压下的I/V曲线可以看出，Rdson会随着驱动电压的增加而减小。这意味着，驱动电压越高，导通损耗越小。但是芯片门极的耐压是有限的，比如NVH4L070N120M3S的驱动Vgs电压范围是−10V/+22V，而在SiC MOSEFT开关过程中，Vgs也会受到高dV/dt和杂散电感的影响，叠加一些电压毛刺，因此Vgs有必要留一定的裕量。

图5：不同Vgs下的I-V曲线

2. 低阈值电压Vth的问题

SiC MOSEFT（尤其是平面型）具有在2V-4V范围内的典型阈值电压Vth，并且随着温度的升高，Vth还会进一步降低。另一方面，在半桥应用电路中，由于SiC MOSEFT开关过程的dV/dt很高，通过另一个半桥SiC MOSEFT的Cgd产生的电流流过驱动电阻，在Vgs上产生一个电压，如果此电压高于Vth就会有误导通的风险，导致上下桥直通。因此在驱动上增加负电压是有必要的。从下图可以看出，增加负电压还可以有效降低关断损耗，使系统效率进一步提升。

使用安森美第三代的SiC MOSEFT，我们推荐使用+18V / -3V的电源驱动。

图6：不同关断电压下的开关损耗对比


图7： Vth-温度特性曲线

3.有限的短路能力

SiC MOSEFT相对IGBT来说，Die尺寸很小，电流密度很高，发生短路时很难在极短时间内把短路产生的热量传导出去。另外，SiC MOSFET 在电流过大的情况下不会出现急剧饱和行为（与IGBT不同）。短路发生时电流很容易达到额定电流额定值的 10倍以上，与IGBT 运行相比要高得多。

因此，SiC MOSEFT的短路耐受时间相对较短，某些产品低于2us。快速检测和快速关断对于 SiC MOSEFT的可靠运行和长寿命至关重要。带有去饱和功能（desat）的驱动芯片可以应对这种情况。通过设置desat保护的响应时间低于1us，可以有效的应对电动压缩机运行过程中可能存在的短路情况。

SiC MOSEFT驱动芯片的选择

在电动压缩机应用中，需要应对下桥和三路上桥的电源需求，增加负电源并不容易。针对这种情况，推荐使用自身可产生负压，带有desat保护，欠电压保护UVLO以及过热保护功能的专用SiC MOSEFT驱动芯片 NCV51705。基本功能如下：

Source/ Sink 电流： 6A/6A
Desat保护
可调负压输出：-3.4V / -5V / -8V
可调欠压保护UVLO电压
5V参考电压输出（供电给其他器件，比如隔离芯片）
过热保护

应用电路推荐如下（下桥可以不用隔离）

图8：NCV51705半桥应用电路

安森美的汽车级SiC MOSFET 分立器件

安森美有丰富的SiC MOSFET 产品，可以覆盖市面上所有的分立电动压缩机方案。以下是适用于800V平台电动压缩机的产品型号。

图9：安森美(onsemi)部分1200V SiC产品（电动压缩机）


图10：安森美(onsemi) SiC MOSFET 产品系列

更多应用信息请参考

https://www.onsemi.com/download/white-papers/pdf/tnd6237-d.pdf
https://www.onsemi.com/download/data-sheet/pdf/ncv51705-d.pdf

结语

尽管SiC MOSFET在电动压缩机应用中存在一些挑战，但通过合理的设计和技术选择，可以有效地提高驱动频率、降低系统噪声并提高效率，最终有助于增加电动汽车的续航里程。