電動(dòng)壓縮機(jī)是電動(dòng)汽車熱管理的核心零組件，對(duì)於電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的溫度控制具有重要作用，對(duì)電池的使用壽命、充電速度和續(xù)航里程均至關(guān)重要，本文主要討論SiC MOSFET 離散元件方案。

壓縮機(jī)是汽車空調(diào)的一部分，它透過(guò)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，達(dá)成車內(nèi)外的冷熱交換。 傳統(tǒng)燃油車以發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力，透過(guò)皮帶帶動(dòng)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。 而新能源汽車脫離了發(fā)動(dòng)機(jī)，以電池為動(dòng)力，透過(guò)逆變電路驅(qū)動(dòng)無(wú)刷直流馬達(dá)，帶動(dòng)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，達(dá)成空調(diào)的冷熱交換功能。

電動(dòng)壓縮機(jī)是電動(dòng)汽車熱管理的核心零組件，除了可以提高車廂內(nèi)的環(huán)境舒適度（制冷，制熱）以外，對(duì)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的溫度控制有其重要作用，對(duì)電池的使用壽命、充電速度和續(xù)航里程均至關(guān)重要。

圖一 : 電動(dòng)壓縮機(jī)是電動(dòng)汽車熱管理的核心零組件

電動(dòng)壓縮機(jī)需要滿足不斷增加的需求，包括低成本、更小尺寸、更少振動(dòng)和雜訊、更高功率等級(jí)和更高效能。 這些需求離不開(kāi)壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)和優(yōu)秀元件的選型。

電動(dòng)壓縮機(jī)控制器功能包括：驅(qū)動(dòng)電機(jī)（逆變電路：包括ASPM模組或者離散元件搭載門極驅(qū)動(dòng)，電壓/電流/溫度檢測(cè)及保護(hù)，電源轉(zhuǎn)換），與主機(jī)通訊（CAN或者LIN ,接收?停和轉(zhuǎn)速訊號(hào)，發(fā)送運(yùn)行狀態(tài)和故障訊號(hào)）等，安森美（onsemi）在每個(gè)電路中都有相應(yīng)的解決方案（圖二）。

圖二 : 電動(dòng)壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)電路控制圖

SiC MOSFET的優(yōu)勢(shì)

前述安森美ASPM功率模組與離散元件在對(duì)比上有極大的優(yōu)勢(shì)。如果能把SiC MOSEFT放進(jìn)ASPM模組是最好的選擇。在SiC MOSEFT ASPM模組量產(chǎn)之前，SiC MOSEFT離散元件由於其特有的優(yōu)勢(shì)，成為眾多電動(dòng)壓縮機(jī)開(kāi)發(fā)客戶的選擇。

1.材料的優(yōu)勢(shì)

在材料的優(yōu)勢(shì)方面，包括10倍於si元件電介質(zhì)擊穿場(chǎng)強(qiáng)，具有更小的晶圓厚度和Rsp，更小的熱阻；擁有3倍以上的熱導(dǎo)率，更小的熱阻和更快的電子傳送速率；2倍多的電子飽和速度，提供更快的開(kāi)關(guān)速度；更好的熱特性，涵蓋更高的溫度範(fàn)圍。

2.更小損耗及更高效率

以安森美適用於800V平臺(tái)電動(dòng)壓縮機(jī)應(yīng)用的最新一代IGBT AFGHL40T120RWD 和SiC MOSEFT NVHL070N120M3S 為例，根據(jù)I/V曲線來(lái)評(píng)估開(kāi)通損耗， 在電流小於18A時(shí)，SiC MOSEFT的導(dǎo)通壓降都是小於IGBT的，而電動(dòng)壓縮機(jī)在路上行駛過(guò)程中，運(yùn)行電流會(huì)一直處?kù)?8A區(qū)間以內(nèi)。 即使是在極限電流下運(yùn)行（比如快充時(shí)，壓縮機(jī)給電池散熱），有效值接近20A，在電流的整個(gè)正弦波週期內(nèi)，SiC MOSEFT的開(kāi)通損耗也不比IGBT差。

圖三 : SiC和IGBT 開(kāi)通特性對(duì)比

開(kāi)關(guān)損耗方面，SiC MOSEFT優(yōu)勢(shì)明顯，雖然規(guī)格書的測(cè)試條件有一些差異，但可以看出SiC MOSEFT的開(kāi)關(guān)損耗遠(yuǎn)小於IGBT。

我們使用相近電流規(guī)格的IGBT和SiC MOSEFT做了效率模擬，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。

圖四 : 馬達(dá)應(yīng)用中相近規(guī)格的IGBT /SiC MOSEFT效率對(duì)比

3.適用於高頻應(yīng)用

SiC MOSEFT是單極性元件，沒(méi)有拖尾電流，開(kāi)關(guān)速度比IGBT快很多。 這也是SiC MOSEFT比IGBT更適用於更高頻率應(yīng)用的原因。 而更高的驅(qū)動(dòng)頻率（比如20kHz或以上），可以有效減小電機(jī)的噪音，提高電機(jī)系統(tǒng)的回應(yīng)速度和動(dòng)態(tài)抗干擾能力。 另外，更高的頻率也會(huì)減少輸出電流的諧波失真，並能有效降低電機(jī)中線圈的損耗，進(jìn)而提高壓縮機(jī)的整體效率。

4.減少死區(qū)時(shí)間

在電機(jī)應(yīng)用中，為了使開(kāi)關(guān)管工作可靠，避免由於關(guān)斷延遲效應(yīng)造成上下橋臂直通，需要設(shè)置死區(qū)時(shí)間 tdead，也就是上下橋臂同時(shí)關(guān)斷時(shí)間。 由於SiC MOSEFT的開(kāi)關(guān)時(shí)間短，實(shí)際應(yīng)用中，可以使用更小的死區(qū)時(shí)間，以改善死區(qū)大、輸出波形失真大、驅(qū)動(dòng)器輸出效率低的問(wèn)題。

問(wèn)題與解方

SiC MOSEFT在使用過(guò)程需要考慮的問(wèn)題及解決辦法，包括：

1.驅(qū)動(dòng)電壓的選擇

從不同驅(qū)動(dòng)電壓下的I/V曲線可以看出，Rdson會(huì)隨著驅(qū)動(dòng)電壓的增加而減小。 這意味著，驅(qū)動(dòng)電壓越高，導(dǎo)通損耗越小。 但是晶元門極的耐壓是有限的，比如NVH4L070N120M3S的驅(qū)動(dòng)Vgs電壓範(fàn)圍是?10V/+22V，而在SiC MOSEFT開(kāi)關(guān)過(guò)程中，Vgs也會(huì)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。

圖五 : 不同Vgs下的I-V曲線

2.低閾值電壓Vth的問(wèn)題

SiC MOSEFT（尤其是平面型）具有在2V-4V範(fàn)圍內(nèi)的典型閾值電壓Vth，並且隨著溫度的升高，Vth還會(huì)進(jìn)一步降低。 另一方面，在半橋應(yīng)用電路中，由於SiC MOSEFT開(kāi)關(guān)過(guò)程的dV/dt很高，透過(guò)另一個(gè)半橋SiC MOSEFT的Cgd產(chǎn)生的電流流過(guò)驅(qū)動(dòng)電阻，在Vgs上產(chǎn)生一個(gè)電壓，如果此電壓高於Vth就會(huì)有誤導(dǎo)通的風(fēng)險(xiǎn)，導(dǎo)致上下橋直通。 因此在驅(qū)動(dòng)上增加負(fù)電壓是有必要的。 從下圖可以看出，增加負(fù)電壓還可以有效降低關(guān)斷損耗，使系統(tǒng)效率進(jìn)一步提升。 透過(guò)安森美第三代的SiC MOSEFT可使用+18V / -3V的電源驅(qū)動(dòng)。

圖六 : 不同關(guān)斷電壓下的開(kāi)關(guān)損耗對(duì)比

圖七 : Vth-溫度特性曲線

3.有限的短路能力

SiC MOSEFT相對(duì)IGBT來(lái)說(shuō)，Die尺寸很小，電流密度很高，發(fā)生短路時(shí)很難在極短時(shí)間內(nèi)把短路產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)出去。 另外，SiC MOSFET與IGBT不同之處，在電流過(guò)大的情況下並不會(huì)出現(xiàn)急劇飽和行為。 短路發(fā)生時(shí)電流很容易達(dá)到額定電流額定值的 10倍以上，與IGBT 運(yùn)行相比要高得多。

因此，SiC MOSEFT的短路耐受時(shí)間相對(duì)較短，某些產(chǎn)品低於2us。 快速檢測(cè)和快速關(guān)斷對(duì)於 SiC MOSEFT的可靠運(yùn)行和耐用至關(guān)重要。 帶有去飽和功能（desat）的驅(qū)動(dòng)晶元可以應(yīng)對(duì)這種情況，透過(guò)設(shè)置desat保護(hù)的回應(yīng)時(shí)間低於1us，可以有效的應(yīng)對(duì)電動(dòng)壓縮機(jī)運(yùn)行過(guò)程中可能存在的短路情況。

在電動(dòng)壓縮機(jī)應(yīng)用中，需要應(yīng)對(duì)下橋和三路上橋的電源需求，增加負(fù)電源並不容易。 針對(duì)這種情況，推薦使用自身可產(chǎn)生負(fù)壓，帶有desat保護(hù)，欠電壓保護(hù)UVLO以及過(guò)熱保護(hù)功能的專用SiC MOSEFT驅(qū)動(dòng)晶元 NCV51705。應(yīng)用電路推薦如下圖（下橋可以不用隔離）。

圖八 : NCV51705半橋應(yīng)用電路

結(jié)語(yǔ)

儘管SiC MOSFET在電動(dòng)壓縮機(jī)應(yīng)用中存在一些挑戰(zhàn)，但透過(guò)合理的設(shè)計(jì)和技術(shù)選擇，可以有效地提高驅(qū)動(dòng)頻率、降低系統(tǒng)雜訊並提高效率，最終有助於增加電動(dòng)汽車的續(xù)航里程。