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電動壓縮機設(shè)計-SiC模塊篇

發(fā)布時間:2024-09-27 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】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。


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。


電動壓縮機設(shè)計-SiC模塊篇

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。


電動壓縮機設(shè)計-SiC模塊篇

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。


電動壓縮機設(shè)計-SiC模塊篇

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。


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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。


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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。


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圖6:不同關(guān)斷電壓下的開關(guān)損耗對比


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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??焖贆z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?;竟δ苋缦拢?/p>

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)


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圖8:NCV51705半橋應(yīng)用電路


安森美的汽車級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壓縮機方案。以下是適用于800V平臺電動壓縮機的產(chǎn)品型號。


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圖9:安森美(onsemi)部分1200V SiC產(chǎn)品(電動壓縮機)


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圖10:安森美(onsemi) SiC MOSFET 產(chǎn)品系列


結(jié)語


盡管SiC MOSFET在電動壓縮機應(yīng)用中存在一些挑戰(zhàn),但通過合理的設(shè)計和技術(shù)選擇,可以有效地提高驅(qū)動頻率、降低系統(tǒng)噪聲并提高效率,最終有助于增加電動汽車的續(xù)航里程。

(作者:安森美公司)


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