電動壓縮機是電動汽車熱管理的核心零組件，對於電驅動系統的溫度控制具有重要作用，對電池的使用壽命、充電速度和續航里程均至關重要，本文主要討論SiC MOSFET 離散元件方案。

壓縮機是汽車空調的一部分，它透過將制冷劑壓縮成高溫高壓的氣體，再流經冷凝器，節流閥和蒸發器換熱，達成車內外的冷熱交換。 傳統燃油車以發動機為動力，透過皮帶帶動壓縮機轉動。 而新能源汽車脫離了發動機，以電池為動力，透過逆變電路驅動無刷直流馬達，帶動壓縮機轉動，達成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零組件，除了可以提高車廂內的環境舒適度（制冷，制熱）以外，對電驅動系統的溫度控制有其重要作用，對電池的使用壽命、充電速度和續航里程均至關重要。

圖一 : 電動壓縮機是電動汽車熱管理的核心零組件

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、更少振動和雜訊、更高功率等級和更高效能。 這些需求離不開壓縮機驅動電路的設計和優秀元件的選型。

電動壓縮機控制器功能包括：驅動電機（逆變電路：包括ASPM模組或者離散元件搭載門極驅動，電壓/電流/溫度檢測及保護，電源轉換），與主機通訊（CAN或者LIN ,接收?停和轉速訊號，發送運行狀態和故障訊號）等，安森美（onsemi）在每個電路中都有相應的解決方案（圖二）。

圖二 : 電動壓縮機驅動電路控制圖

SiC MOSFET的優勢

前述安森美ASPM功率模組與離散元件在對比上有極大的優勢。如果能把SiC MOSEFT放進ASPM模組是最好的選擇。在SiC MOSEFT ASPM模組量產之前，SiC MOSEFT離散元件由於其特有的優勢，成為眾多電動壓縮機開發客戶的選擇。

1.材料的優勢

在材料的優勢方面，包括10倍於si元件電介質擊穿場強，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，提供更快的開關速度；更好的熱特性，涵蓋更高的溫度範圍。

2.更小損耗及更高效率

以安森美適用於800V平台電動壓縮機應用的最新一代IGBT AFGHL40T120RWD 和SiC MOSEFT NVHL070N120M3S 為例，根據I/V曲線來評估開通損耗， 在電流小於18A時，SiC MOSEFT的導通壓降都是小於IGBT的，而電動壓縮機在路上行駛過程中，運行電流會一直處於18A區間以內。 即使是在極限電流下運行（比如快充時，壓縮機給電池散熱），有效值接近20A，在電流的整個正弦波週期內，SiC MOSEFT的開通損耗也不比IGBT差。

圖三 : SiC和IGBT 開通特性對比

開關損耗方面，SiC MOSEFT優勢明顯，雖然規格書的測試條件有一些差異，但可以看出SiC MOSEFT的開關損耗遠小於IGBT。

我們使用相近電流規格的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效率，尤其在高頻應用中更加明顯。

圖四 : 馬達應用中相近規格的IGBT /SiC MOSEFT效率對比

3.適用於高頻應用

SiC MOSEFT是單極性元件，沒有拖尾電流，開關速度比IGBT快很多。 這也是SiC MOSEFT比IGBT更適用於更高頻率應用的原因。 而更高的驅動頻率（比如20kHz或以上），可以有效減小電機的噪音，提高電機系統的回應速度和動態抗干擾能力。 另外，更高的頻率也會減少輸出電流的諧波失真，並能有效降低電機中線圈的損耗，進而提高壓縮機的整體效率。

4.減少死區時間

在電機應用中，為了使開關管工作可靠，避免由於關斷延遲效應造成上下橋臂直通，需要設置死區時間 tdead，也就是上下橋臂同時關斷時間。 由於SiC MOSEFT的開關時間短，實際應用中，可以使用更小的死區時間，以改善死區大、輸出波形失真大、驅動器輸出效率低的問題。

問題與解方

SiC MOSEFT在使用過程需要考慮的問題及解決辦法，包括：

1.驅動電壓的選擇

從不同驅動電壓下的I/V曲線可以看出，Rdson會隨著驅動電壓的增加而減小。 這意味著，驅動電壓越高，導通損耗越小。 但是晶元門極的耐壓是有限的，比如NVH4L070N120M3S的驅動Vgs電壓範圍是?10V/+22V，而在SiC MOSEFT開關過程中，Vgs也會受到高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的問題

SiC MOSEFT（尤其是平面型）具有在2V-4V範圍內的典型閾值電壓Vth，並且隨著溫度的升高，Vth還會進一步降低。 另一方面，在半橋應用電路中，由於SiC MOSEFT開關過程的dV/dt很高，透過另一個半橋SiC MOSEFT的Cgd產生的電流流過驅動電阻，在Vgs上產生一個電壓，如果此電壓高於Vth就會有誤導通的風險，導致上下橋直通。 因此在驅動上增加負電壓是有必要的。 從下圖可以看出，增加負電壓還可以有效降低關斷損耗，使系統效率進一步提升。 透過安森美第三代的SiC MOSEFT可使用+18V / -3V的電源驅動。

圖六 : 不同關斷電壓下的開關損耗對比

圖七 : Vth-溫度特性曲線

3.有限的短路能力

SiC MOSEFT相對IGBT來說，Die尺寸很小，電流密度很高，發生短路時很難在極短時間內把短路產生的熱量傳導出去。 另外，SiC MOSFET與IGBT不同之處，在電流過大的情況下並不會出現急劇飽和行為。 短路發生時電流很容易達到額定電流額定值的 10倍以上，與IGBT 運行相比要高得多。

因此，SiC MOSEFT的短路耐受時間相對較短，某些產品低於2us。 快速檢測和快速關斷對於 SiC MOSEFT的可靠運行和耐用至關重要。 帶有去飽和功能（desat）的驅動晶元可以應對這種情況，透過設置desat保護的回應時間低於1us，可以有效的應對電動壓縮機運行過程中可能存在的短路情況。

在電動壓縮機應用中，需要應對下橋和三路上橋的電源需求，增加負電源並不容易。 針對這種情況，推薦使用自身可產生負壓，帶有desat保護，欠電壓保護UVLO以及過熱保護功能的專用SiC MOSEFT驅動晶元 NCV51705。應用電路推薦如下圖（下橋可以不用隔離）。

圖八 : NCV51705半橋應用電路

結語

儘管SiC MOSFET在電動壓縮機應用中存在一些挑戰，但透過合理的設計和技術選擇，可以有效地提高驅動頻率、降低系統雜訊並提高效率，最終有助於增加電動汽車的續航里程。