账号:
密码:
智动化 / 文章 /

电动压缩机设计ASPM模组
[作者 Tom Huang]   2024年04月25日 星期四 浏览人次: [1693]

电动压缩机是电动汽车热管理的核心部件,对电驱动系统的温度控制发挥着重要作用,本文重点探讨逆变电路ASPM模组方案。


压缩机是汽车空调的一部分,它透过将冷冻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,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,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。


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、更少振动和噪音、更高功率级别和更高效能。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:驱动马达(逆变电路:包括ASPM模组或者分立元件搭载门极驱动,电压/电流/温度检测及保护,功率转换),与主机通讯(CAN或者LIN,接收启停和转速信号,发送运行状态和故障信号)等,安森美(onsemi)在每个电路中都有相应的解决方案(图一)。本文重点探讨逆变电路ASPM模组方案。



图一 : 电动压缩机是电动汽车热管理的核心部件
图一 : 电动压缩机是电动汽车热管理的核心部件

汽车级智能功率模组(ASPM)

汽车级智能功率模组(Automotive Smart Power Module;ASPM)是一种整合功率半导体元件、驱动电路和控制电路的模组化解决方案,旨在提供高效、可靠、紧凑的电力转换和控制。



图二 : 电动压缩机驱动电路控制架构
图二 : 电动压缩机驱动电路控制架构

ASPM的优势

ASPM模组功率晶片和IC晶片被直接焊接到铜质的接脚框架上,接着用陶瓷覆盖接脚框架,最後放到环氧树脂中灌铸成型。相比分立方案来说大大减小了寄生电感,减少了整体设计的元件的数量和电路板板所需的面积,提供高绝缘耐压并能维持良好散热性能。



图三 : ASPM?部结构
图三 : ASPM?部结构

1.成本

在成本上如果单独比较ASPM模组和分立元件的元件成本,模组的成本会更高。但从整个系统成本来说,考虑到电路板PCB、机械安装、质量和性能成本,系统功率越高,使用ASPM模组会更有优势。


2.热性能


图四 : ASPM的热性能优势   热传导路径  晶片  选项
图四 : ASPM的热性能优势 热传导路径 晶片 选项

在电动压缩机的设计中,散热特性是一个关键因素,它直接影响到模组的电流承载能力。因此,封装的散热特性在决定其性能表现时至关重要。在散热特性、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於最隹化封装尺寸,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,这些模组采用了覆铜板(DBC)基板技术,带来了良好的散热性能。功率晶片直接贴装在DBC基板上,使得热量能够更有效地从晶片传导至外部,从而提高了散热效率和可靠性,这对於维持功率模组在大电流工作下的长期稳定性和延长使用寿命至关重要。


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??精确了解功率晶片的温度。然而,由於封装内部的功率晶片(如绝缘闸双极电晶体IGBT、FRD)是在高压条件下工作,直接测量其温度变得较为困难。


过去,由於成本和技术原因,设计者往往不是直接测量功率晶片的温度,而是采用外置的NTC热敏电阻去检测模组或散热器的温度,这种方法虽然简单,但并不能准确反映功率组件本身的温度情况。


而在1200V ASPM34系列中,设计上的一大创新,就是将NTC热敏电阻与功率晶片整合在同一陶瓷基板上,实现在模组内部进行温度采样。这样一来,就能够更加准确地反映出功率晶片的实际温度状况,让开发人员清楚地知道模组内部温度裕量,并在系统控制中做相应的措施,比如在低转速时,系统散热不好导致模组温度过高,可以适当提高频率,加强散热;或者在高频大功率时适当降低频率或者做过温停机保护。


安森美的ASPM模组的开关频率设计高达20kHz以上(ASPM27-V3可达40kHz,FS4的绝缘闸双极电晶体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/分以下的转速采样要求。



图五 : ASPM27?部电路架构
图五 : ASPM27?部电路架构

3.功率密度

ASPM相比分立绝缘闸双极电晶体IGBT方案极大程度的降低了线路电感,无需考虑分立元件间的电气安全距离;接脚与散热面间高达2500V的绝缘,无需像绝缘闸双极电晶体IGBT那样必须额外增加绝缘垫片,并且安装方便,可靠性高。



图六 : ASPM方案对比分立绝缘闸双极电晶体IGBT方案的功率密度
图六 : ASPM方案对比分立绝缘闸双极电晶体IGBT方案的功率密度

4.可靠性

ASPM模组整合最隹化的保护电路和与绝缘闸双极电晶体IGBT开关特徵相匹配的驱动,可以为开发者极大地缩短电路匹配和开发时间。透过整合欠压保护功能和短路保护功能,系统可靠性得到大幅的提升。内置高速HVIC具备抵抗dv/dt和负压的能力,提供一种无需光耦隔离的绝缘闸双极电晶体IGBT驱动能力。内建的HVIC允许使用无需负功率的单功率驱动的拓扑。


要实现更高的可行性,可以尽量减小不同材料间CTE的不匹配。安森美的ASPM模组透过AEC-Q和AQG324认证,分立元件则按照AECQ100/101进行认证;并且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

在高压环境下的电动压缩机选择功率元件时需要考虑到裕量的概念,以确保有足够的安全馀地应对各种条件下的电压波动和瞬态事件。


裕量通常是基於以下几种考虑:


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於功率元件标称耐压值。例如,如果电池系统最高电压为400V,则650V耐压的元件提供了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,元件不会被击穿。


3.可靠性裕量:长期运行过程中,功率元件的耐压性能可能会因温度、老化等因素逐渐下降。因此,提供足够的电压裕量有助於延长元件寿命,提升整个系统的可靠性。


650V耐压的功率元件应用於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,功率元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模组在新的应用场合下裕量不足时,就会推动市场和技术向更高耐压等级如750V的ASPM模组发展。


在800V平台,由於乘用车压缩机尺寸较小,选用1200V模组时电路板设计难度相对较大,因为小型化的压缩机内部空间有限,设计高电压等级的电路板PCB布局时需要确保关键元件之间有足够的电气安全距离,这对於高密度封装的功率模组来说是一项挑战。


模组在高电压下工作时产生的损耗更大,需要高效的散热方案,而小型化设计可能限制了散热面积和散热路径的设计,增加热管理设计的复杂度。高电压等级意味着更高的电磁干扰风险,需要更加细致的电路板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,电路板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、间距及层数都可能增加,同时也需要考虑降低寄生叁?的影响,如电感和电阻,以最隹化开关性能和减少损耗。针对这些挑战和需求,安森美下一代更小尺寸的1200V模组,?部整合最新的FS7绝缘闸双极电晶体 IGBT,解决上述挑战,实现更隹的性能,面积缩小了36%,并且还提高绝缘耐压特性,为电动压缩机控制器的设计带来更多提升。


电路设计和电路板PCB布局Tips


图七 : 650V ASPM27系列应用电路图
图七 : 650V ASPM27系列应用电路图

对於电路板PCB layout的设计建议:


1. 在设计时建议功率地和数位地单点接地,接地线尽量短且不能太宽;


2. 采样电阻距离Nu、Nv、Nw接脚应该尽量短,减少走线带来的寄生电感;


3. Csc保护RC的走线应该尽量短,且滤波电容地最好接到控制地而非功率地;


4. PN两端的吸收电容放在距离模组越近,对绝缘闸双极电晶体IGBT产生的Vce尖峰吸收效果越好;


5. 自丢电容和稳压管放置在距离模组接脚引脚最近的地方,每一路之间应考虑电气间隙和爬电距离要求;自丢电容的充放电让其本身成为一个干扰源,应注意它与其他易受干扰的弱电电路之间的距离;


6. 模组供电电容也应尽量靠近模组接脚引脚;


7. 输入控制讯号Vin的RC都应靠近模组接脚引脚,而非mcu,确保输入到模组内部的讯号是乾净的。



图八 : 650 V ASPM27 PCB布局设计
图八 : 650 V ASPM27 PCB布局设计

结语

ASPM模组是汽车电动压缩机、水泵等马达控制中理想的控制元件;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,使用绝缘闸双极电晶体IGBT作为功率元件器件的ASPM面临一定的局限性。相同耐压规格的SiC元件器件本身耐压远高於绝缘闸双极电晶体IGBT,且其开关损耗远低於绝缘闸双极电晶体IGBT元件,可以适应更高转速,更高效率的要求。


(本文作者Tom Huang为安森美现场应用工程师)


相关文章
电感式位置感测器改进工业马达控制
车规碳化矽功率模组基板和磊晶
单对乙太网路步入工厂车间
马达控制驱动器提升高整合度、最大化灵活性
当机器视觉结合AI技术 推动物联网新进展
comments powered by Disqus
  相关新闻
» 工研生医厌25周年 以研发链结产医打造健康产业护国群山
» NETGEAR引进Wi-Fi 7无线路由器 发挥AI平台最大效益
» 研华与臻鼎战略合作 以AI共铸PCB产业数位绿色智慧化
» 国科会建成沙仑AI产业专区 盼引外商打造亚太研发重镇
» 台达新一代货柜型电池系统获官田钢铁选用
  相关产品
» Littelfuse新款低侧栅极驱动器适用於SiC MOSFET和高功率IGBT
» Microchip全新车载充电器解决方案支援车辆关键应用
» Littelfuse单芯超级电容器保护积体电路用於增强型备用电源解决方案
» Microchip新型PIC32CK 32位元微控制器搭载硬体安全模组
» Microchip安全触控萤幕控制器系列新品提供加密验证和资料加密功能


刊登廣告 新聞信箱 读者信箱 著作權聲明 隱私權聲明 本站介紹

Copyright ©1999-2024 远播信息股份有限公司版权所有 Powered by O3
地址:台北数位产业园区(digiBlock Taipei) 103台北市大同区承德路三段287-2号A栋204室
电话 (02)2585-5526 #0 转接至总机 / E-Mail: webmaster@hope.com.tw