江南-电动压缩机设计

发布日期：2024-10-16 作者：江南

[导读]紧缩机是汽车空调的一部门，它经由过程将制冷剂紧缩成高温高压的气体，再流经冷凝器，撙节阀和蒸发器换热，实现车表里的冷热互换。传统燃油车以策动机为动力，经由过程皮带带动紧缩机动弹。而新能源汽车离开了策动机，以电池为动力，经由过程逆变电路驱动无刷直流机电，从而带动紧缩机动弹，实现空调的冷热互换功能。紧缩机是汽车空调的一部门，它经由过程将制冷剂紧缩成高温高压的气体，再流经冷凝器，撙节阀和蒸发器换热，实现车表里的冷热互换。传统燃油车以策动机为动力，经由过程皮带带动紧缩机动弹。而新能源汽车离开了策动机，以电池为动力，经由过程逆变电路驱动无刷直流机电，从而带动紧缩机动弹，实现空调的冷热互换功能。电动紧缩机是电动汽车热治理的焦点部件，除可以提高车箱内的情况舒适度（制冷，制热）之外，对电驱动系统的温度节制阐扬侧重要感化，对电池的利用寿命、充电速度和续航里程都相当主要。图1：电动紧缩机是电动汽车热治理的焦点部件电动紧缩机需要知足不竭增添的需求，包罗低本钱、更小尺寸、更少振动和噪声、更高功率级别和更高能效。这些需求离不开紧缩机驱动电路的设计和优异器件的选型。电动紧缩机节制器功能包罗：驱动机电（逆变电路：包罗ASPM模块或分立器件搭载门极驱动，电压/电流/温度检测和庇护，电源转换），与主机通信（CAN或LIN ,领受启停和转速旌旗灯号，发送运行状况和故障旌旗灯号）等，安森美(onsemi)在每一个电路中都有响应的解决方案（图1）。上一章，我们切磋了安森美ASPM模块方案在电动紧缩机上的利用，本文首要会商SiCMOSFET 分立方案。图2电动紧缩机驱动电路节制框图 SiC MOSFET的优势在上一章中，我们申明了安森美ASPM功率模块在与分立器件对照上有极年夜的优势。假如能把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分立器件因为其独有的优势，成为浩繁电动紧缩机开辟客户的选择。表1：SiC 与Si 器件的物理特征对照 1. SiC MOSEFT材料的优势 10倍在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征：更高的温度规模 2.更小消耗和更高效力以安森美合用在800V平台电动紧缩机利用的最新一代IGBT AFGHL40T120RWD 和SiC MOSEFT NVHL070N120M3S 为例，按照I/V曲线来评估开通消耗，在电流小在18A时，SiC MOSEFT的导通压降都是小在IGBT的，而电动紧缩机在路上行驶进程中，运行电流会一向处在18A区间之内。即便是在极限电流下运行（好比快充时，紧缩机给电池散热），有用值接近20A，在电流的全部正弦波周期内，SiC MOSEFT的开通消耗也不比IGBT差。图3： SiC 和IGBT 开通特征对照开关消耗方面，SiC MOSEFT优势较着，固然规格书的测试前提有一些差别，但可以看出SiC MOSEFT的开关消耗远小在IGBT。表2： SiC 和IGBT 开关特征对照我们利用附近电流规格的IGBT和SiC MOSEFT做了效力仿真，在最年夜功率下，SiC 也能够有用提高系统效力，特别在高频利用中加倍较着。图4：机电利用中附近规格的IGBT /SiC MOSEFT效力对照 3. 合用在高频利用 SiC MOSEFT是单极性器件，没有拖尾电流，开关速度比IGBT快良多。这也是SiC MOSEFT比IGBT更合用在更高频率利用的缘由。而更高的驱动频率（好比20kHz或以上），可以有用减小机电的噪音，提高机电系统的响应速度和动态抗干扰能力。别的，更高的频率也会削减输出电流的谐波掉真，并能有用下降机电中线圈的消耗，进而提高紧缩机的整体效力。 4. 削减死区时候在机电利用中，为了使开关督工作靠得住，避免因为关断延迟效应造成上下桥臂纵贯，需要设置死区时候 tdead，也就是上下桥臂同时关断时候。因为SiC MOSEFT的开关时候短，现实利用中，可使用更小的死区时候，以改良死区年夜，输出波形掉真年夜，驱动器输出效力低的问题。 SiC MOSEFT利用进程需要斟酌的问题和解决法子驱动电压的选择从分歧驱动电压下的I/V曲线可以看出，Rdson会跟着驱动电压的增添而减小。这意味着，驱动电压越高，导通消耗越小。可是芯片门极的耐压是有限的，好比NVH4L070N120M3S的驱动Vgs电压规模是−10V/+22V，而在Si江南体育C MOSEFT开关进程中，Vgs也会遭到高dV/dt和杂散电感的影响，叠加一些电压毛刺，是以Vgs有需要留必然的裕量。图5：分歧Vgs下的I-V曲线 2. 低阈值电压Vth的问题 SiC MOSEFT（特别是平面型）具有在2V-4V规模内的典型阈值电压Vth，而且跟着温度的升高，Vth还会进一步下降。另外一方面，在半桥利用电路中，因为SiC MOSEFT开关进程的dV/dt很高，经由过程另外一个半桥SiC MOSEFT的Cgd发生的电流流过驱动电阻，在Vgs上发生一个电压，假如此电压高在Vth就会有误导通的风险，致使上下桥纵贯。是以在驱动上增添负电压是有需要的。从下图可以看出，增添负电压还可以有用下降关断消耗，使系统效力进一步晋升。利用安森美第三代的SiC MOSEFT，我们保举利用+18V / -3V的电源驱动。图6：分歧关断电压下的开关消耗对照图7： Vth-温度特征曲线 3.有限的短路能力 SiC MOSEFT相对IGBT来讲，Die尺寸很小，电流密度很高，产生短路时很难在极短时候内把短路发生的热量传导出去。别的，SiC MOSFET 在电流过年夜的环境下不会呈现急剧饱和行动（与IGBT分歧）。短路产生时电流很轻易到达额定电流额定值的 10倍以上，与IGBT 运行比拟要高很多。是以，SiC MOSEFT的短路耐受时候相对较短，某些产物低在2us。快速检测和快速关断对 SiC MOSEFT的靠得住运行和长命命相当主要。带有去饱和功能（desat）的驱动芯片可以应对这类环境。经由过程设置desat庇护的响应时候低在1us，可以有用的应对电动紧缩机运行进程中可能存在的短路环境。 SiC MOSEFT驱动芯片的选择在电动紧缩机利用中，需要应对下桥和三路上桥的电源需求，增添负电源其实不轻易。针对这类环境，保举利用本身可发生负压，带有desat庇护，欠电压庇护UVLO和过热庇护功能的专用SiC MOSEFT驱动芯片 NCV51705。根基功能以下： Source/ Sink 电流： 6A/6A Desat庇护可调负压输出：-3.4V / -5V / -8V 可调欠压庇护UVLO电压 5V参考电压输出（供电给其他器件，好比隔离芯片）过热庇护利用电路保举以下（下桥可以不消隔离）图8：NCV51705半桥利用电路安森美的汽车级SiC MOSFET 分立器件安森美有丰硕的SiC MOSFET 产物，可以笼盖市道上所有的分立电动紧缩机方案。以下是合用在800V平台电动紧缩机的产物型号。图9：安森美(onsemi)部门1200V SiC产物（电动紧缩机）图10：安森美(onsemi) SiC MOSFET产物系列虽然SiC MOSFET在电动紧缩机利用中存在一些挑战，但经由过程公道的设计和手艺选择，可以有用地提高驱动频率、下降系统噪声并提高效力，终究有助在增添电动汽车的续航里程。