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

       物理特性指标  4H-SiC  Si
  禁带宽度（eV）  3.26  1.12
  临界击穿电场（mv/cm）  3  0.3
  热导率（W/cm*K）  4.9  1.5
  饱和电子漂移速度（10^7cm/s）  2.5  1
  理论最高耐受结温（℃）  600  175

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

      Symbol  Test Condition  NVHL070N120M3S  AFGHL40T120RWD  Unit
  td(ON)  Sic Mosfet:  10  50.1  ns
  tr  VDS = 800 V, VGS = −3/18 V,  24  293  ns
  td(OFF)  ID = 15 A, RG = 4.7ohm  29  30.9  ns
  tf  　  9.6  189  ns
  EON  IGBT:  254  1370  uJ
  EOFF  VCE = 600 V, VGE = 0/15 V,  46  1350  uJ
  Etot  IC = 20 A, RG = 4.7ohm  300  2720  uJ

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 tdead，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。

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        


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。