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作者：安森美公司 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 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. 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 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 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。 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 tdead，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。 SiC MOSEFT使用過程需要考慮的問題及解決辦法 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. 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Vth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： 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。 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 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。 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
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 更多應用信息請參考 https://www.onsemi.com/download/white-papers/pdf/tnd6237-d.pdf https://www.onsemi.com/download/data-sheet/pdf/ncv51705-d.pdf 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。 |
