電動(dòng)壓縮機(jī)是電動(dòng)汽車熱管理的核心部件，對(duì)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的溫度控制發(fā)揮著重要作用，本文重點(diǎn)探討逆變電路ASPM模組方案。
壓縮機(jī)是汽車空調(diào)的一部分，它透過(guò)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(shí)現(xiàn)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)，從而帶動(dòng)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)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(duì)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的溫度控制發(fā)揮著重要作用，對(duì)電池的使用壽命、充電速度和續(xù)航里程都至關(guān)重要。
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)和噪音、更高功率級(jí)別和更高效能。這些需求離不開壓縮機(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)馬達(dá)（逆變電路：包括ASPM模組或者分立元件搭載門極驅(qū)動(dòng)，電壓/電流/溫度檢測(cè)及保護(hù)，功率轉(zhuǎn)換），與主機(jī)通訊（CAN或者LIN，接收啟停和轉(zhuǎn)速信號(hào)，發(fā)送運(yùn)行狀態(tài)和故障信號(hào)）等，安森美（onsemi）在每個(gè)電路中都有相應(yīng)的解決方案（圖一）。本文重點(diǎn)探討逆變電路ASPM模組方案。
| 圖一 : 電動(dòng)壓縮機(jī)是電動(dòng)汽車熱管理的核心部件 |
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汽車級(jí)智能功率模組（ASPM）
汽車級(jí)智能功率模組（Automotive Smart Power Module；ASPM）是一種整合功率半導(dǎo)體元件、驅(qū)動(dòng)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(zhuǎn)換和控制。
| 圖二 : 電動(dòng)壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)電路控制架構(gòu) |
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ASPM的優(yōu)勢(shì)
ASPM模組功率晶片和IC晶片被直接焊接到銅質(zhì)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(lái)說(shuō)大大減小了寄生電感，減少了整體設(shè)計(jì)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(dú)比較ASPM模組和分立元件的元件成本，模組的成本會(huì)更高。但從整個(gè)系統(tǒng)成本來(lái)說(shuō)，考慮到電路板PCB、機(jī)械安裝、質(zhì)量和性能成本，系統(tǒng)功率越高，使用ASPM模組會(huì)更有優(yōu)勢(shì)。
2.熱性能
| 圖四 : ASPM的熱性能優(yōu)勢(shì) 熱傳導(dǎo)路徑 晶片 選項(xiàng) |
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在電動(dòng)壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)中，散熱特性是一個(gè)關(guān)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(shí)至關(guān)重要。在散熱特性、封裝尺寸以及隔離特性之間存在著權(quán)衡關(guān)係，優(yōu)秀的封裝技術(shù)的關(guān)鍵在於最佳化封裝尺寸，同時(shí)保持卓越的散熱性能，而不犧牲隔離等級(jí)。
以650V ASPM27系列為例，這些模組採(cǎi)用了覆銅板（DBC）基板技術(shù)，帶來(lái)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(dǎo)至外部，從而提高了散熱效率和可靠性，這對(duì)於維持功率模組在大電流工作下的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和延長(zhǎng)使用壽命至關(guān)重要。
因?yàn)闇囟戎苯佑绊懏a(chǎn)品的性能、可靠性和壽命，所以大多數(shù)設(shè)計(jì)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(cè)量其溫度變得較為困難。
過(guò)去，由於成本和技術(shù)原因，設(shè)計(jì)者往往不是直接測(cè)量功率晶片的溫度，而是採(cǎi)用外置的NTC熱敏電阻去檢測(cè)模組或散熱器的溫度，這種方法雖然簡(jiǎn)單，但並不能準(zhǔn)確反映功率組件本身的溫度情況。
而在1200V ASPM34系列中，設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)在模組內(nèi)部進(jìn)行溫度採(cǎi)樣。這樣一來(lái)，就能夠更加準(zhǔn)確地反映出功率晶片的實(shí)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(yīng)的措施，比如在低轉(zhuǎn)速時(shí)，系統(tǒng)散熱不好導(dǎo)致模組溫度過(guò)高，可以適當(dāng)提高頻率，加強(qiáng)散熱；或者在高頻大功率時(shí)適當(dāng)降低頻率或者做過(guò)溫停機(jī)保護(hù)。
安森美的ASPM模組的開關(guān)頻率設(shè)計(jì)高達(dá)20kHz以上（ASPM27-V3可達(dá)40kHz，F(xiàn)S4的絕緣閘雙極電晶體IGBT開關(guān)速度更快，開關(guān)損耗更低），可以輕鬆?wèi)?yīng)對(duì)現(xiàn)有電動(dòng)壓縮機(jī)15000轉(zhuǎn)/分以下的轉(zhuǎn)速採(cǎi)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(wú)需考慮分立元件間的電氣安全距離；接腳與散熱面間高達(dá)2500V的絕緣，無(wú)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(duì)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(hù)電路和與絕緣閘雙極電晶體IGBT開關(guān)特徵相匹配的驅(qū)動(dòng)，可以為開發(fā)者極大地縮短電路匹配和開發(fā)時(shí)間。透過(guò)整合欠壓保護(hù)功能和短路保護(hù)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(fù)壓的能力，提供一種無(wú)需光耦隔離的絕緣閘雙極電晶體IGBT驅(qū)動(dòng)能力。內(nèi)建的HVIC允許使用無(wú)需負(fù)功率的單功率驅(qū)動(dòng)的拓?fù)洹?/span>
要實(shí)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(guò)AEC-Q和AQG324認(rèn)證，分立元件則按照AECQ100/101進(jìn)行認(rèn)證；並且可以考慮根據(jù)客戶特定的要求進(jìn)行一些特殊的可靠性測(cè)試。
趨勢(shì)和挑戰(zhàn)
在高壓環(huán)境下的電動(dòng)壓縮機(jī)選擇功率元件時(shí)需要考慮到裕量的概念，以確保有足夠的安全餘地應(yīng)對(duì)各種條件下的電壓波動(dòng)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(dòng)、負(fù)載變化等因素，設(shè)計(jì)時(shí)通常會(huì)讓實(shí)際工作電壓低於功率元件標(biāo)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(guān)操作或電網(wǎng)異常等情況下，可能會(huì)出現(xiàn)瞬間的電壓尖峰。此時(shí)裕量用來(lái)保證在這些短暫但強(qiáng)烈的電壓衝擊下，元件不會(huì)被擊穿。
3.可靠性裕量：長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中，功率元件的耐壓性能可能會(huì)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(zhǎng)元件壽命，提升整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。
650V耐壓的功率元件應(yīng)用於峰值電壓接近其額定值的系統(tǒng)時(shí)，設(shè)計(jì)者需要仔細(xì)評(píng)估電壓裕量是否足夠，確保在所有預(yù)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(dòng)汽車技術(shù)的發(fā)展，電池電壓平臺(tái)不斷上升，有些車企的400V平臺(tái)的峰值電壓達(dá)到了500V以上。當(dāng)原有的650V ASPM模組在新的應(yīng)用場(chǎng)合下裕量不足時(shí)，就會(huì)推動(dòng)市場(chǎng)和技術(shù)向更高耐壓等級(jí)如750V的ASPM模組發(fā)展。
在800V平臺(tái)，由於乘用車壓縮機(jī)尺寸較小，選用1200V模組時(shí)電路板設(shè)計(jì)難度相對(duì)較大，因?yàn)樾⌒突膲嚎s機(jī)內(nèi)部空間有限，設(shè)計(jì)高電壓等級(jí)的電路板PCB佈局時(shí)需要確保關(guān)鍵元件之間有足夠的電氣安全距離，這對(duì)於高密度封裝的功率模組來(lái)說(shuō)是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。
模組在高電壓下工作時(shí)產(chǎn)生的損耗更大，需要高效的散熱方案，而小型化設(shè)計(jì)可能限制了散熱面積和散熱路徑的設(shè)計(jì)，增加熱管理設(shè)計(jì)的複雜度。高電壓等級(jí)意味著更高的電磁干擾風(fēng)險(xiǎn)，需要更加細(xì)致的電路板PCB走線設(shè)計(jì)和屏蔽措施，以符合相關(guān)電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)。還需確保在高電壓水平下，電路板PCB的絕緣性能達(dá)標(biāo)，防止爬電、擊穿等問(wèn)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(shí)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(guān)性能和減少損耗。針對(duì)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(shí)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(dòng)壓縮機(jī)控制器的設(shè)計(jì)帶來(lái)更多提升。
電路設(shè)計(jì)和電路板PCB布局Tips
| 圖七 : 650V ASPM27系列應(yīng)用電路圖 |
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對(duì)於電路板PCB layout的設(shè)計(jì)建議：
1. 在設(shè)計(jì)時(shí)建議功率地和數(shù)位地單點(diǎn)接地，接地線盡量短且不能太寬；
2. 採(cǎi)樣電阻距離Nu、Nv、Nw接腳應(yīng)該盡量短，減少走線帶來(lái)的寄生電感；
3. Csc保護(hù)RC的走線應(yīng)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(duì)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(yīng)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(gè)干擾源，應(yīng)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(yīng)盡量靠近模組接腳引腳；
7. 輸入控制訊號(hào)Vin的RC都應(yīng)靠近模組接腳引腳，而非mcu，確保輸入到模組內(nèi)部的訊號(hào)是乾淨(jìng)的。
| 圖八 : 650 V ASPM27 PCB布局設(shè)計(jì) |
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結(jié)語(yǔ)
ASPM模組是汽車電動(dòng)壓縮機(jī)、水泵等馬達(dá)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(dá)到900V以上），且效率要求越來(lái)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(yuǎn)高於絕緣閘雙極電晶體IGBT，且其開關(guān)損耗遠(yuǎn)低於絕緣閘雙極電晶體IGBT元件，可以適應(yīng)更高轉(zhuǎn)速，更高效率的要求。
（本文作者Tom Huang為安森美現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師）
