电动压缩机设计-ASPM模块篇
发布日期:2024-05-02
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来源：安森美 作者：Tom Huang
压缩机是汽车空调的一部分，它通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，实现车内外的冷热交换。传统燃油车以发动机为动力，通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，通过逆变电路驱动无刷直流电机，从而带动压缩机转动，实现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部件，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发挥着重要作用，对电池的使用寿命、充电速度和续航里程都至关重要。
图1：电动压缩机是电动汽车热管理的核心部件
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、更少振动和噪声、更高功率级别和更高能效。这些需求离不开压缩机驱动电路的设计和优秀器件的选型。
电动压缩机控制器功能包括：驱动电机（逆变电路：包括ASPM�？榛蛘叻至⑵骷钤孛偶缪�/电流/温度检测及保护，电源转换），与主机通讯（CAN或者LIN ,接收启�：妥傩藕牛⑺驮诵凶刺凸收闲藕牛┑龋采�(onsemi)在每个电路中都有相应的解决方案（图1）。本文重点探讨逆变电路ASPM�？榉桨�。
图2：电动压缩机驱动电路控制框图
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汽车级智能功率�？椋ˋutomotive Smart Power Module，ASPM）是一种集成了功率半导体器件、驱动电路和控制电路的�？榛饩龇桨福荚谔峁└咝�、可靠、紧凑的电力转换和控制。
图3：安森美(onsemi)的ASPM27(左)和ASPM34(右)
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ASPM�？楣β市酒� IC 芯片被直接焊接到铜质的引脚框架上，接着用陶瓷覆盖引脚框架，最后放到环氧树脂中浇铸成型。相比分立方案来说大大减小了寄生电感，减少了整体设计的器件的数量和PCB 板所需的面积，提供高绝缘耐压并能维持良好散热性能。
图4：ASPM内部结构
1.成本
在成本上如果单独比较ASPM�？楹头至⑵骷钠骷杀荆？榈某杀净岣�。但从整个系统成本来说，考虑到PCB、机械安装、质量和性能成本，系统功率越高，使用ASPM�？榛岣杏攀�。
2.热性能
图5：ASPM的热性能优势
在电动压缩机的设计中，散热特性是一个关键因素，它直接影响到�？榈牡缌鞒性啬芰ΑＲ虼耍庾暗纳⑷忍匦栽诰龆ㄆ湫阅鼙硐质敝凉刂匾Ｔ谏⑷忍匦�、封装尺寸以及隔离特性之间存在着权衡关系。优秀的封装技术的关键在于，优化封装尺寸，同时保持卓越的散热性能，而不牺牲隔离等级。
以650V ASPM27系列为例，这些�？椴捎昧薉BC（覆铜板）基板技术，带来了良好的散热性能。功率芯片直接贴装在DBC基板上，使得热量能够更有效地从芯片传导至外部，从而提高了散热效率和可靠性，这对于维持功率�？樵诖蟮缌鞴ぷ飨碌某て谖榷ㄐ院脱映な褂檬倜凉刂匾�。
因为温度直接影响产品的性能、可靠性和寿命，所以大多数设计者都希望精确了解功率芯片的温度。然而，由于封装内部的功率芯片（如IGBT、FRD）是在高压条件下工作的，直接测量其温度变得较为困难。过去，由于成本和技术原因，设计者往往不是直接测量功率芯片的温度，而是采用外置的NTC热敏电阻去检测�？榛蛏⑷绕鞯奈露龋庵址椒ㄋ淙患虻ィ⒉荒茏既贩从彻β首榧旧淼奈露惹榭�。而在1200V ASPM34系列中，设计上的一大创新点就是将NTC热敏电阻与功率芯片集成在同一陶瓷基板上，实现在�？槟诓拷形露炔裳Ｕ庋焕矗湍芄桓幼既返胤从吵龉β市酒氖导饰露茸纯觯每⑷嗽鼻宄闹滥？槟诓课露仍Ａ浚⒃谙低晨刂浦凶鱿嘤Φ拇胧热缭诘妥偈保低成⑷炔缓玫贾履？槲露裙撸梢允实碧岣咂德剩忧可⑷龋换蛘咴诟咂荡蠊β适笔实苯档推德驶蛘咦龉峦；；ぁ０采赖腁SPM模块的开关频率设计高达20kHz以上（ASPM27-V3可达40kHz,FS4的IGBT开关速度更快,开关损耗更低），可以轻松应对现有电动压缩机15000转/分钟以下的转速采样要求。
图6：ASPM27内部电路框图
3.功率密度
ASPM相比分立IGBT方案极大程度的降低了线路电感，无需考虑分立器件间的电气安全距离；引脚与散热面间高达2500V的绝缘，无需像IGBT那样必须额外增加绝缘垫片。且安装方便，可靠性高。
图7：ASPM方案对比分立IGBT方案的功率密度
4.可靠性
ASPM模块集成了优化的保护电路和与IGBT 开关特征相匹配的驱动，可以为开发者极大的缩短电路匹配和开发时间。通过集成欠压保护功能和短路保护功能，系统可靠性得到了很大程度的提高。内置高速 HVIC 具备抵抗dv/dt 和负压的能力，提供了一种无需光耦隔离的 IGBT 驱动能力。集成的 HVIC 允许使用无需负电源的单电源驱动的拓扑。
图8：HVIC具备抵抗dv/dt和负压能力
要实现更高的可靠性，可以尽量减小不同材料间CTE的mismatch。安森美的ASPM�？橥ü鼳EC-Q和AQG324认证，分立器件是按照AECQ100/101进行认证的。我们也可以考虑根据客户特定的要求进行一些特殊的可靠性测试。
趋势和挑战
为高压环境下的电动压缩机选择功率器件时需要考虑到裕量的概念，以确保有足够的安全余地应对各种条件下的电压波动和瞬态事件。
裕量通常是基于以下几种考虑：
1.稳态电压裕量：在正常工作状态下，考虑到电压波动、负载变化等因素，设计时通常会让实际工作电压低于功率器件标称耐压值，比如如果电池系统最高电压为400V，则650V耐压的器件提供了250V的电压裕量。
2.瞬态电压裕量：在开关操作或电网异常等情况下，可能会出现瞬间的电压尖峰，此时裕量用来保证在这些短暂但强烈的电压冲击下，器件不会被击穿。
3.可靠性裕量：长期运行过程中，功率器件的耐压性能可能会因为温度、老化等因素逐渐下降，因此提供足够的电压裕量有助于延长器件寿命，提升整个系统的可靠性。
650V耐压的功率器件在应用于峰值电压接近其额定值的系统时，设计者需要仔细评估电压裕量是否足够，确保在所有预期的操作条件下，功率器件都能安全稳定地工作。随着电动汽车技术的发展，电池电压平台不断上升，有些车企的400V平台的峰值电压达到了500V以上，当原有的650V ASPM�？樵谛碌挠τ贸『舷略Ａ坎蛔闶保突嵬贫谐『图际跸蚋吣脱沟燃度�750V的ASPM�？榉⒄�。
在800V平台，由于乘用车压缩机尺寸比较�。∮�1200V 模块时PCB设计难度相对较大，因为小型化的压缩机内部空间有限，设计高电压等级的PCB布局时需要确保关键元器件之间有足够的电气安全距离，这对于高密度封装的功率�？槔此凳且幌钐粽�。�？樵诟叩缪瓜鹿ぷ魇辈乃鸷母螅枰咝У纳⑷确桨福⌒突杓瓶赡芟拗屏松⑷让婊蜕⑷嚷肪兜纳杓疲黾恿巳裙芾砩杓频母丛佣�。高电压等级意味着更高的电磁干扰风险，需要更加细致的PCB走线设计和屏蔽措施，以符合相关电磁兼容标准。还需确保在高电压水平下，PCB的绝缘性能达标，防止爬电、击穿等问题的发生。高电压和大电流传输所需的线路宽度、间距以及层数都可能增加，同时也需要考虑降低寄生参数的影响，如电感和电阻，以优化开关性能和减少损耗。针对这些挑战和需求，安森美即将推出下一代更小尺寸的1200V�？椋诓考勺钚碌腇S7 IGBT，解决上述挑战，实现更优化的性能，面积缩小了36%，并且还提高了绝缘耐压特性，为电动压缩机控制器的设计带来更多提升。
电路设计和PCB布局Tips
图9：650V ASPM27系列应用电路图
图示的器件参数请参考650V ASPM27汽车智能功率�？橄盗杏τ檬植幔篽ttps://www.onsemi.cn/download/application-notes/pdf/and9800-d.pdf。
对于PCB layout的设计建议：
图示的器件参数请参考650V ASPM27汽车智能功率�？橄盗杏τ檬植�：https://www.onsemi.cn/download/application-1.设计时建议功率地和数字地单点接地，接地线尽量短且不能太宽；
图示的器件参数请参考650V ASPM27汽车智能功率�？橄盗杏τ檬植�：https://www.onsemi.cn/download/application-2.采样电阻距离Nu，Nv，Nw引脚应该尽量的短，减少走线带来的寄生电感；
图示的器件参数请参考650V ASPM27汽车智能功率模块系列应用手册：https://www.onsemi.cn/download/application-3.Csc保护RC的走线应该尽量的短，且滤波电容的地最好接到控制地而非功率地；
图示的器件参数请参考650V ASPM27汽车智能功率�？橄盗杏τ檬植�：https://www.onsemi.cn/download/application-4.PN两端的吸收电容放在距离�？樵浇訧GBT产生的Vce尖峰吸收效果越好；
图示的器件参数请参考650V ASPM27汽车智能功率�？橄盗杏τ檬植�：https://www.onsemi.cn/download/application-5.自举电容和稳压管放置在距离模块引脚最近的地方，每一路之间应考虑电气间隙和爬电距离要求；自举电容的充放电让其本身成为一个干扰源，应注意他与其他易被干扰的弱电电路之间的距离；
图示的器件参数请参考650V ASPM27汽车智能功率�？橄盗杏τ檬植�：https://www.onsemi.cn/download/application-6.�？楣┑绲缛菀灿×靠拷？橐牛�
图示的器件参数请参考650V ASPM27汽车智能功率�？橄盗杏τ檬植幔篽ttps://www.onsemi.cn/download/application-7.输入控制信号Vin的RC都应靠近�？橐牛莔cu，确保输入到�？槟诓康男藕攀歉删坏�。
图10：650 V ASPM27 PCB布局设计
结语
ASPM模块是汽车电动压缩机、水泵等电机控制中理想的控制器件；但随着汽车电池往更高的电压发展（比如电池最高电压达到900V以上），且效率要求越来越高，使用IGBT作为功率器件的ASPM面临一定的局限性。相同耐压规格的SiC器件本身耐压远高于IGBT，且其开关损耗远低于IGBT器件，可以适应更高转速，更高效率的要求。
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