电动压缩机是电动汽车热管理的核心零组件，对於电驱动系统的温度控制具有重要作用，对电池的使用寿命、充电速度和续航里程均至关重要，本文主要讨论SiC MOSFET 离散元件方案。

压缩机是汽车空调的一部分，它透过将制冷剂压缩成高温高压的气体，再流经冷凝器，节流阀和蒸发器换热，达成车内外的冷热交换。 传统燃油车以发动机为动力，透过皮带带动压缩机转动。 而新能源汽车脱离了发动机，以电池为动力，透过逆变电路驱动无刷直流马达，带动压缩机转动，达成空调的冷热交换功能。

电动压缩机是电动汽车热管理的核心零组件，除了可以提高车厢内的环境舒适度（制冷，制热）以外，对电驱动系统的温度控制有其重要作用，对电池的使用寿命、充电速度和续航里程均至关重要。

图一 : 电动压缩机是电动汽车热管理的核心零组件

电动压缩机需要满足不断增加的需求，包括低成本、更小尺寸、更少振动和杂讯、更高功率等级和更高效能。 这些需求离不开压缩机驱动电路的设计和优秀元件的选型。

电动压缩机控制器功能包括：驱动电机（逆变电路：包括ASPM模组或者离散元件搭载门极驱动，电压/电流/温度检测及保护，电源转换），与主机通讯（CAN或者LIN ,接收?停和转速讯号，发送运行状态和故障讯号）等，安森美（onsemi）在每个电路中都有相应的解决方案（图二）。

图二 : 电动压缩机驱动电路控制图

SiC MOSFET的优势

前述安森美ASPM功率模组与离散元件在对比上有极大的优势。如果能把SiC MOSEFT放进ASPM模组是最好的选择。在SiC MOSEFT ASPM模组量产之前，SiC MOSEFT离散元件由於其特有的优势，成为众多电动压缩机开发客户的选择。

1.材料的优势

在材料的优势方面，包括10倍於si元件电介质击穿场强，具有更小的晶圆厚度和Rsp，更小的热阻；拥有3倍以上的热导率，更小的热阻和更快的电子传送速率；2倍多的电子饱和速度，提供更快的开关速度；更好的热特性，涵盖更高的温度范围。

2.更小损耗及更高效率

以安森美适用於800V平台电动压缩机应用的最新一代IGBT AFGHL40T120RWD 和SiC MOSEFT NVHL070N120M3S 为例，根据I/V曲线来评估开通损耗， 在电流小於18A时，SiC MOSEFT的导通压降都是小於IGBT的，而电动压缩机在路上行驶过程中，运行电流会一直处於18A区间以内。 即使是在极限电流下运行（比如快充时，压缩机给电池散热），有效值接近20A，在电流的整个正弦波周期内，SiC MOSEFT的开通损耗也不比IGBT差。

图三 : SiC和IGBT 开通特性对比

开关损耗方面，SiC MOSEFT优势明显，虽然规格书的测试条件有一些差异，但可以看出SiC MOSEFT的开关损耗远小於IGBT。

图四 : 马达应用中相近规格的IGBT /SiC MOSEFT效率对比

3.适用於高频应用

SiC MOSEFT是单极性元件，没有拖尾电流，开关速度比IGBT快很多。 这也是SiC MOSEFT比IGBT更适用於更高频率应用的原因。 而更高的驱动频率（比如20kHz或以上），可以有效减小电机的噪音，提高电机系统的回应速度和动态抗干扰能力。 另外，更高的频率也会减少输出电流的谐波失真，并能有效降低电机中线圈的损耗，进而提高压缩机的整体效率。

4.减少死区时间

在电机应用中，为了使开关管工作可靠，避免由於关断延迟效应造成上下桥臂直通，需要设置死区时间 tdead，也就是上下桥臂同时关断时间。 由於SiC MOSEFT的开关时间短，实际应用中，可以使用更小的死区时间，以改善死区大、输出波形失真大、驱动器输出效率低的问题。

问题与解方

SiC MOSEFT在使用过程需要考虑的问题及解决办法，包括：

1.驱动电压的选择

从不同驱动电压下的I/V曲线可以看出，Rdson会随着驱动电压的增加而减小。 这意味着，驱动电压越高，导通损耗越小。 但是晶元门极的耐压是有限的，比如NVH4L070N120M3S的驱动Vgs电压范围是?10V/+22V，而在SiC MOSEFT开关过程中，Vgs也会受到高dV/dt和杂散电感的影响，叠加一些电压毛刺， 因此Vgs有必要留一定的裕量。

图五 : 不同Vgs下的I-V曲线

2.低??值电压Vth的问题

SiC MOSEFT（尤其是平面型）具有在2V-4V范围内的典型??值电压Vth，并且随着温度的升高，Vth还会进一步降低。 另一方面，在半桥应用电路中，由於SiC MOSEFT开关过程的dV/dt很高，透过另一个半桥SiC MOSEFT的Cgd产生的电流流过驱动电阻，在Vgs上产生一个电压，如果此电压高於Vth就会有误导通的风险，导致上下桥直通。 因此在驱动上增加负电压是有必要的。 从下图可以看出，增加负电压还可以有效降低关断损耗，使系统效率进一步提升。 透过安森美第三代的SiC MOSEFT可使用+18V / -3V的电源驱动。

图六 : 不同关断电压下的开关损耗对比

图七 : Vth-温度特性曲线

3.有限的短路能力

SiC MOSEFT相对IGBT来说，Die尺寸很小，电流密度很高，发生短路时很难在极短时间内把短路产生的热量传导出去。 另外，SiC MOSFET与IGBT不同之处，在电流过大的情况下并不会出现急剧饱和行为。 短路发生时电流很容易达到额定电流额定值的 10倍以上，与IGBT 运行相比要高得多。

因此，SiC MOSEFT的短路耐受时间相对较短，某些产品低於2us。 快速检测和快速关断对於 SiC MOSEFT的可靠运行和耐用至关重要。 带有去饱和功能（desat）的驱动晶元可以应对这种情况，透过设置desat保护的回应时间低於1us，可以有效的应对电动压缩机运行过程中可能存在的短路情况。

在电动压缩机应用中，需要应对下桥和三路上桥的电源需求，增加负电源并不容易。 针对这种情况，推荐使用自身可产生负压，带有desat保护，欠电压保护UVLO以及过热保护功能的专用SiC MOSEFT驱动晶元 NCV51705。应用电路推荐如下图（下桥可以不用隔离）。

图八 : NCV51705半桥应用电路

结语

尽管SiC MOSFET在电动压缩机应用中存在一些挑战，但透过合理的设计和技术选择，可以有效地提高驱动频率、降低系统杂讯并提高效率，最终有助於增加电动汽车的续航里程。