IGBT –電動汽車空調的一項關鍵技術

前言

與使用內燃機的傳統(tǒng)汽車相比，電動汽車的能效要高得多，但這也帶來一個問題：來自電機的廢熱不再足以滿足車內的取暖需求。要想滿足取暖需求，必須將電池中存儲的部分電能轉換為熱能。為了實現(xiàn)不依賴于工作溫度或電池電壓的可調加熱功率，在新一代高壓加熱器中使用了功率半導體，來控制從電池到加熱元件的能量流。由加熱元件加熱冷媒，并通過熱交換器將冷媒輸送到車輛的空調系統(tǒng)中，最后由鼓風機將暖風輸送到車內。參見圖1原理圖。

圖1.  電動汽車中高壓加熱器的工作模式

普通的電動汽車需要5kW~7kW的加熱功率來滿足取暖所需。如果汽車的加熱系統(tǒng)僅通過負載電阻（加熱元件）進行加熱，則該功率范圍會相應地縮小。但是，也有一些加熱系統(tǒng)不僅僅依靠電阻來發(fā)熱，而是使用了熱泵原理：通過外部提供能量的方式將熱能從冷源（環(huán)境）傳遞到熱源（車內）。熱泵的能量平衡性優(yōu)于負載電阻加熱的方式，并且對功率范圍的影響較小。然而，使用這種加熱系統(tǒng)時，造車成本會增加，并且其實用性取決于環(huán)境溫度。在冬季非常寒冷的地區(qū)，這種系統(tǒng)無法產(chǎn)生足夠的熱量，在這些地方，傳統(tǒng)的電阻加熱器是必不可少的。

加熱系統(tǒng)不僅能夠確保乘坐者的舒適性，還具有重要的安全功能。例如，為車窗除霜或進行車內除濕，從而使駕駛員可以清晰地看到外面的路況。電池需要一定的工作溫度，而加熱器可以確保電池始終處于正常的工作溫度范圍內。如果出現(xiàn)高壓峰值，加熱器還可以充當放電電阻；如果汽車電氣系統(tǒng)的電壓異常升高，則該系統(tǒng)能夠吸收異常能量，從而限制過電壓的程度。這些功能可以保護電池以及與汽車電氣系統(tǒng)相連接的其他系統(tǒng)。

圖2.  具有兩個加熱元件的高壓加熱器的基本電路

簡易的電阻加熱器如圖2所示。開關的占空比可調，能夠使功率輸出始終與設定值匹配。幾個（通常是兩個或三個）加熱支路并聯(lián)，以更好地進行熱量分散。為了在發(fā)生故障時能夠安全地關斷加熱系統(tǒng)，需要配置安全開關，并在正常運行期間確保安全開關始終處于接通狀態(tài)。如果發(fā)生故障，這些開關將關斷，從而斷開加熱元件與車輛的高壓電氣系統(tǒng)的連接。

ROHM的 RGS IGBT產(chǎn)品系列符合AEC-Q101標準

該案例中使用的斷路器只有IGBT。這種IGBT技術在大電流條件下具有非常好的傳導特性。雖然與MOSFET相比開關損耗較高，但基本可以忽略，因為開關頻率通常在幾十赫茲（兩位數(shù)）至幾千赫茲的范圍之間。此外，產(chǎn)品陣容中包括650V和1200V兩種電壓級，都是普通加熱系統(tǒng)中常用的電壓級。表1中列出了ROHM提供的符合AEC-Q101標準的分立封裝RGS系列IGBT，非常適用于這類應用。這些IGBT具有非常高的可靠性，能夠滿足加熱器的典型要求，下面進一步進行詳細介紹。

表 1  ROHM IGBT RGS系列的產(chǎn)品陣容

大多數(shù)為400V電池設計的系統(tǒng)通常使用650V的IGBT。然而，近年來，為了提高加熱器的耐壓能力，越來越傾向于使用1200V的解決方案。如果從電池到加熱器的電源突然中斷，則汽車電氣系統(tǒng)中的線路會產(chǎn)生明顯的過電壓，甚至可能會損壞開關。因此，可以利用功率半導體具有較高的擊穿電壓這一特性來防止加熱器損壞。1200V IGBT支持800V的電池系統(tǒng)，并且可以通過串聯(lián)的方式來增加過壓負載能力。

該應用的另一個特點是開關速度（dVCE / dt，dIC / dt）。開關速度取決于系統(tǒng)。與其他大部分旨在實現(xiàn)高速開關頻率的應用相反，在該應用案例中，開關速度通常被限制在較低水平。究其原因，一方面是受制于EMC（電磁兼容性）的局限性，另一方面是由于不使用濾波器或盡可能地減少濾波器以節(jié)省成本的設計思想。一種簡單的方法是降低IGBT在開關過程中的速度，以減少開關上升沿和下降沿的高次諧波成分。雖然這種解決方案會導致IGBT在開關過程中的損耗增加，但并不需要為此增加任何元器件?？梢酝ㄟ^降低開關頻率來補償增加的損耗。開關時間在幾微秒（個位數(shù)）的范圍內。在極少數(shù)情況下，可以達到十幾微秒（較小的兩位數(shù)）的程度。圖3為柵極電阻在千歐范圍內的IGBT導通過程示例。由于是阻性負載，而不是常見的感性負載，因此電壓曲線和電流曲線在開關過程中會交叉。

圖3.  具有阻性負載且RG = 1.1kΩ的IGBT（RGS80TSX2DHR）的導通過程

盡管這種處理IGBT的方式對于有經(jīng)驗的設計人員來說似乎不太常見，但也并不是完全不可行。不過，也不要把開關時間降得太慢。應避免IGBT在每次開關期間出現(xiàn)過大的溫度尖峰，以免損害功率循環(huán)能力。另外，極慢的開關時間對于IGBT來說可能也存在風險，因為它在開關過程中會以較低的柵極電壓工作。根據(jù)ROHM的經(jīng)驗，適當減緩開關速度并不會引發(fā)問題。憑借從各種項目中獲得并積累的寶貴經(jīng)驗，ROHM能夠為客戶的評估提供有效的建議，以幫助客戶找到更好的解決方案。

IGBT還有一個不容忽視的特點，即短路耐受能力（確保在出現(xiàn)故障時關斷）。通常，短路檢測需要幾微秒的時間才能做出反應。ROHM RGS系列IGBT中，650V級產(chǎn)品的短路耐受時間為8μs，1200V級產(chǎn)品的短路耐受時間為10μs。出色的短路耐受能力有助于成功地實施故障處理對策。

選擇功率半導體的另一原因是封裝。在該應用案例中，主要使用采用通孔插裝技術（THT）的元器件。將它們連接到外部散熱器，可以輕松地實現(xiàn)冷卻。但是，由于通孔插裝技術需要額外的工序，因此在生產(chǎn)過程中存在其缺點。而采用表面貼裝技術（SMT）的元器件（例如常見的TO-263封裝產(chǎn)品）可以直接與其他元器件焊接在一起，更具成本優(yōu)勢。盡管該技術必須通過PCB散熱，對散熱的要求更高，但這并不妨礙當今的一些制造商考慮使用該技術。ROHM一直致力于相關研究，以便及時做出反應。目前，正在開發(fā)采用SMT技術的產(chǎn)品，不斷地擴充RGS系列IGBT的產(chǎn)品陣容。圖4為ROHM RGS系列IGBT采用的不同封裝規(guī)格。

圖4.  RGS系列IGBT的封裝陣容

當然，除了IGBT，ROHM的產(chǎn)品群中還有其他很多產(chǎn)品也適用于高壓加熱器。其中包括柵極驅動器IC、分流電阻、比較器、運算放大器和穩(wěn)壓器。在IGBT領域，ROHM是能夠提供符合AEC-Q101標準的全系列IGBT產(chǎn)品。這些產(chǎn)品采用TO-247封裝，額定電流為30~50A，分是/否內置二極管兩種。此外，還計劃在2020年在RGS系列中新增SMD產(chǎn)品：650V電壓級、TO-263-3L封裝、15~40A、是/否內置二極管的IGBT；產(chǎn)品陣容還將新增采用TO-247封裝、額定電流更大的產(chǎn)品，即650V電壓級、將50A的額定電流提高到75A的產(chǎn)品。豐富的產(chǎn)品陣容將使客戶的選擇范圍更廣，客戶可以根據(jù)加熱器的工作條件從中選擇更佳產(chǎn)品。