電動壓縮機是電動汽車熱管理的核心部件，對電驅動系統(tǒng)的溫度控制發(fā)揮著重要作用，本文重點探討逆變電路ASPM模組方案。
壓縮機是汽車空調的一部分，它透過將冷凍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，實現(xiàn)車內(nèi)外的冷熱交換。傳統(tǒng)燃油車以發(fā)動機為動力，透過皮帶帶動壓縮機轉動。而新能源汽車脫離了發(fā)動機，以電池為動力，透過逆變電路驅動無刷直流馬達，從而帶動壓縮機轉動，實現(xiàn)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(nèi)的環(huán)境舒適度（製冷、製熱）以外，對電驅動系統(tǒng)的溫度控制發(fā)揮著重要作用，對電池的使用壽命、充電速度和續(xù)航里程都至關重要。
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、更少振動和噪音、更高功率級別和更高效能。這些需求離不開壓縮機驅動電路的設計和優(yōu)秀元件的選型。
電動壓縮機控制器功能包括：驅動馬達（逆變電路：包括ASPM模組或者分立元件搭載門極驅動，電壓/電流/溫度檢測及保護，功率轉換），與主機通訊（CAN或者LIN，接收啟停和轉速信號，發(fā)送運行狀態(tài)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（圖一）。本文重點探討逆變電路ASPM模組方案。
汽車級智能功率模組（ASPM）
汽車級智能功率模組（Automotive Smart Power Module；ASPM）是一種整合功率半導體元件、驅動電路和控制電路的模組化解決方案，旨在提供高效、可靠、緊湊的電力轉換和控制。
ASPM的優(yōu)勢
ASPM模組功率晶片和IC晶片被直接焊接到銅質的接腳框架上，接著用陶瓷覆蓋接腳框架，最後放到環(huán)氧樹脂中灌鑄成型。相比分立方案來說大大減小了寄生電感，減少了整體設計的元件的數(shù)量和電路板板所需的面積，提供高絕緣耐壓並能維持良好散熱性能。
1.成本
在成本上如果單獨比較ASPM模組和分立元件的元件成本，模組的成本會更高。但從整個系統(tǒng)成本來說，考慮到電路板PCB、機械安裝、質量和性能成本，系統(tǒng)功率越高，使用ASPM模組會更有優(yōu)勢。
2.熱性能
| 圖四 : ASPM的熱性能優(yōu)勢 熱傳導路徑 晶片 選項 |
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在電動壓縮機的設計中，散熱特性是一個關鍵因素，它直接影響到模組的電流承載能力。因此，封裝的散熱特性在決定其性能表現(xiàn)時至關重要。在散熱特性、封裝尺寸以及隔離特性之間存在著權衡關係，優(yōu)秀的封裝技術的關鍵在於最佳化封裝尺寸，同時保持卓越的散熱性能，而不犧牲隔離等級。
以650V ASPM27系列為例，這些模組採用了覆銅板（DBC）基板技術，帶來了良好的散熱性能。功率晶片直接貼裝在DBC基板上，使得熱量能夠更有效地從晶片傳導至外部，從而提高了散熱效率和可靠性，這對於維持功率模組在大電流工作下的長期穩(wěn)定性和延長使用壽命至關重要。
因為溫度直接影響產(chǎn)品的性能、可靠性和壽命，所以大多數(shù)設計者都希望精確了解功率晶片的溫度。然而，由於封裝內(nèi)部的功率晶片（如絕緣閘雙極電晶體IGBT、FRD）是在高壓條件下工作，直接測量其溫度變得較為困難。
過去，由於成本和技術原因，設計者往往不是直接測量功率晶片的溫度，而是採用外置的NTC熱敏電阻去檢測模組或散熱器的溫度，這種方法雖然簡單，但並不能準確反映功率組件本身的溫度情況。
而在1200V ASPM34系列中，設計上的一大創(chuàng)新，就是將NTC熱敏電阻與功率晶片整合在同一陶瓷基板上，實現(xiàn)在模組內(nèi)部進行溫度採樣。這樣一來，就能夠更加準確地反映出功率晶片的實際溫度狀況，讓開發(fā)人員清楚地知道模組內(nèi)部溫度裕量，並在系統(tǒng)控制中做相應的措施，比如在低轉速時，系統(tǒng)散熱不好導致模組溫度過高，可以適當提高頻率，加強散熱；或者在高頻大功率時適當降低頻率或者做過溫停機保護。
安森美的ASPM模組的開關頻率設計高達20kHz以上（ASPM27-V3可達40kHz，F(xiàn)S4的絕緣閘雙極電晶體IGBT開關速度更快，開關損耗更低），可以輕鬆應對現(xiàn)有電動壓縮機15000轉/分以下的轉速採樣要求。
3.功率密度
ASPM相比分立絕緣閘雙極電晶體IGBT方案極大程度的降低了線路電感，無需考慮分立元件間的電氣安全距離；接腳與散熱面間高達2500V的絕緣，無需像絕緣閘雙極電晶體IGBT那樣必須額外增加絕緣墊片，並且安裝方便，可靠性高。
| 圖六 : ASPM方案對比分立絕緣閘雙極電晶體IGBT方案的功率密度 |
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4.可靠性
ASPM模組整合最佳化的保護電路和與絕緣閘雙極電晶體IGBT開關特徵相匹配的驅動，可以為開發(fā)者極大地縮短電路匹配和開發(fā)時間。透過整合欠壓保護功能和短路保護功能，系統(tǒng)可靠性得到大幅的提升。內(nèi)置高速HVIC具備抵抗dv/dt和負壓的能力，提供一種無需光耦隔離的絕緣閘雙極電晶體IGBT驅動能力。內(nèi)建的HVIC允許使用無需負功率的單功率驅動的拓撲。
要實現(xiàn)更高的可行性，可以盡量減小不同材料間CTE的不匹配。安森美的ASPM模組透過AEC-Q和AQG324認證，分立元件則按照AECQ100/101進行認證；並且可以考慮根據(jù)客戶特定的要求進行一些特殊的可靠性測試。
趨勢和挑戰(zhàn)
在高壓環(huán)境下的電動壓縮機選擇功率元件時需要考慮到裕量的概念，以確保有足夠的安全餘地應對各種條件下的電壓波動和瞬態(tài)事件。
裕量通常是基於以下幾種考慮：
1.穩(wěn)態(tài)電壓裕量：在正常工作狀態(tài)下，考慮到電壓波動、負載變化等因素，設計時通常會讓實際工作電壓低於功率元件標稱耐壓值。例如，如果電池系統(tǒng)最高電壓為400V，則650V耐壓的元件提供了250V的電壓裕量。
2.瞬態(tài)電壓裕量：在開關操作或電網(wǎng)異常等情況下，可能會出現(xiàn)瞬間的電壓尖峰。此時裕量用來保證在這些短暫但強烈的電壓衝擊下，元件不會被擊穿。
3.可靠性裕量：長期運行過程中，功率元件的耐壓性能可能會因溫度、老化等因素逐漸下降。因此，提供足夠的電壓裕量有助於延長元件壽命，提升整個系統(tǒng)的可靠性。
650V耐壓的功率元件應用於峰值電壓接近其額定值的系統(tǒng)時，設計者需要仔細評估電壓裕量是否足夠，確保在所有預期的操作條件下，功率元件都能安全穩(wěn)定地工作。隨著電動汽車技術的發(fā)展，電池電壓平臺不斷上升，有些車企的400V平臺的峰值電壓達到了500V以上。當原有的650V ASPM模組在新的應用場合下裕量不足時，就會推動市場和技術向更高耐壓等級如750V的ASPM模組發(fā)展。
在800V平臺，由於乘用車壓縮機尺寸較小，選用1200V模組時電路板設計難度相對較大，因為小型化的壓縮機內(nèi)部空間有限，設計高電壓等級的電路板PCB佈局時需要確保關鍵元件之間有足夠的電氣安全距離，這對於高密度封裝的功率模組來說是一項挑戰(zhàn)。
模組在高電壓下工作時產(chǎn)生的損耗更大，需要高效的散熱方案，而小型化設計可能限制了散熱面積和散熱路徑的設計，增加熱管理設計的複雜度。高電壓等級意味著更高的電磁干擾風險，需要更加細致的電路板PCB走線設計和屏蔽措施，以符合相關電磁兼容標準。還需確保在高電壓水平下，電路板PCB的絕緣性能達標，防止爬電、擊穿等問題的發(fā)生。
高電壓和大電流傳輸所需的線路寬度、間距及層數(shù)都可能增加，同時也需要考慮降低寄生參?的影響，如電感和電阻，以最佳化開關性能和減少損耗。針對這些挑戰(zhàn)和需求，安森美下一代更小尺寸的1200V模組，?部整合最新的FS7絕緣閘雙極電晶體 IGBT，解決上述挑戰(zhàn)，實現(xiàn)更佳的性能，面積縮小了36%，並且還提高絕緣耐壓特性，為電動壓縮機控制器的設計帶來更多提升。
電路設計和電路板PCB布局Tips
對於電路板PCB layout的設計建議：
1. 在設計時建議功率地和數(shù)位地單點接地，接地線盡量短且不能太寬；
2. 採樣電阻距離Nu、Nv、Nw接腳應該盡量短，減少走線帶來的寄生電感；
3. Csc保護RC的走線應該盡量短，且濾波電容地最好接到控制地而非功率地；
4. PN兩端的吸收電容放在距離模組越近，對絕緣閘雙極電晶體IGBT產(chǎn)生的Vce尖峰吸收效果越好；
5. 自丟電容和穩(wěn)壓管放置在距離模組接腳引腳最近的地方，每一路之間應考慮電氣間隙和爬電距離要求；自丟電容的充放電讓其本身成為一個干擾源，應注意它與其他易受干擾的弱電電路之間的距離；
6. 模組供電電容也應盡量靠近模組接腳引腳；
7. 輸入控制訊號Vin的RC都應靠近模組接腳引腳，而非mcu，確保輸入到模組內(nèi)部的訊號是乾淨的。
| 圖八 : 650 V ASPM27 PCB布局設計 |
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結語
ASPM模組是汽車電動壓縮機、水泵等馬達控制中理想的控制元件；但隨著汽車電池往更高的電壓發(fā)展（比如電池最高電壓達到900V以上），且效率要求越來越高，使用絕緣閘雙極電晶體IGBT作為功率元件器件的ASPM面臨一定的局限性。相同耐壓規(guī)格的SiC元件器件本身耐壓遠高於絕緣閘雙極電晶體IGBT，且其開關損耗遠低於絕緣閘雙極電晶體IGBT元件，可以適應更高轉速，更高效率的要求。
（本文作者Tom Huang為安森美現(xiàn)場應用工程師）
