帳號:
密碼:
智動化 / 文章 /

電動壓縮機設計—ASPM模組
[作者 Tom Huang]   2024年04月25日 星期四 瀏覽人次: [1733]

電動壓縮機是電動汽車熱管理的核心部件,對電驅動系統的溫度控制發揮著重要作用,本文重點探討逆變電路ASPM模組方案。


壓縮機是汽車空調的一部分,它透過將冷凍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,實現車內外的冷熱交換。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,從而帶動壓縮機轉動,實現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部件,除了可以提高車廂內的環境舒適度(製冷、製熱)以外,對電驅動系統的溫度控制發揮著重要作用,對電池的使用壽命、充電速度和續航里程都至關重要。


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、更少振動和噪音、更高功率級別和更高效能。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:驅動馬達(逆變電路:包括ASPM模組或者分立元件搭載門極驅動,電壓/電流/溫度檢測及保護,功率轉換),與主機通訊(CAN或者LIN,接收啟停和轉速信號,發送運行狀態和故障信號)等,安森美(onsemi)在每個電路中都有相應的解決方案(圖一)。本文重點探討逆變電路ASPM模組方案。



圖一 : 電動壓縮機是電動汽車熱管理的核心部件
圖一 : 電動壓縮機是電動汽車熱管理的核心部件

汽車級智能功率模組(ASPM)

汽車級智能功率模組(Automotive Smart Power Module;ASPM)是一種整合功率半導體元件、驅動電路和控制電路的模組化解決方案,旨在提供高效、可靠、緊湊的電力轉換和控制。



圖二 : 電動壓縮機驅動電路控制架構
圖二 : 電動壓縮機驅動電路控制架構

ASPM的優勢

ASPM模組功率晶片和IC晶片被直接焊接到銅質的接腳框架上,接著用陶瓷覆蓋接腳框架,最後放到環氧樹脂中灌鑄成型。相比分立方案來說大大減小了寄生電感,減少了整體設計的元件的數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。



圖三 : ASPM?部結構
圖三 : ASPM?部結構

1.成本

在成本上如果單獨比較ASPM模組和分立元件的元件成本,模組的成本會更高。但從整個系統成本來說,考慮到電路板PCB、機械安裝、質量和性能成本,系統功率越高,使用ASPM模組會更有優勢。


2.熱性能


圖四 : ASPM的熱性能優勢   熱傳導路徑  晶片  選項
圖四 : ASPM的熱性能優勢 熱傳導路徑 晶片 選項

在電動壓縮機的設計中,散熱特性是一個關鍵因素,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時至關重要。在散熱特性、封裝尺寸以及隔離特性之間存在著權衡關係,優秀的封裝技術的關鍵在於最佳化封裝尺寸,同時保持卓越的散熱性能,而不犧牲隔離等級。


以650V ASPM27系列為例,這些模組採用了覆銅板(DBC)基板技術,帶來了良好的散熱性能。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至外部,從而提高了散熱效率和可靠性,這對於維持功率模組在大電流工作下的長期穩定性和延長使用壽命至關重要。


因為溫度直接影響產品的性能、可靠性和壽命,所以大多數設計者都希望精確了解功率晶片的溫度。然而,由於封裝內部的功率晶片(如絕緣閘雙極電晶體IGBT、FRD)是在高壓條件下工作,直接測量其溫度變得較為困難。


過去,由於成本和技術原因,設計者往往不是直接測量功率晶片的溫度,而是採用外置的NTC熱敏電阻去檢測模組或散熱器的溫度,這種方法雖然簡單,但並不能準確反映功率組件本身的溫度情況。


而在1200V ASPM34系列中,設計上的一大創新,就是將NTC熱敏電阻與功率晶片整合在同一陶瓷基板上,實現在模組內部進行溫度採樣。這樣一來,就能夠更加準確地反映出功率晶片的實際溫度狀況,讓開發人員清楚地知道模組內部溫度裕量,並在系統控制中做相應的措施,比如在低轉速時,系統散熱不好導致模組溫度過高,可以適當提高頻率,加強散熱;或者在高頻大功率時適當降低頻率或者做過溫停機保護。


安森美的ASPM模組的開關頻率設計高達20kHz以上(ASPM27-V3可達40kHz,FS4的絕緣閘雙極電晶體IGBT開關速度更快,開關損耗更低),可以輕鬆應對現有電動壓縮機15000轉/分以下的轉速採樣要求。



圖五 : ASPM27?部電路架構
圖五 : ASPM27?部電路架構

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,無需考慮分立元件間的電氣安全距離;接腳與散熱面間高達2500V的絕緣,無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方案對比分立絕緣閘雙極電晶體IGBT方案的功率密度
圖六 : ASPM方案對比分立絕緣閘雙極電晶體IGBT方案的功率密度

4.可靠性

ASPM模組整合最佳化的保護電路和與絕緣閘雙極電晶體IGBT開關特徵相匹配的驅動,可以為開發者極大地縮短電路匹配和開發時間。透過整合欠壓保護功能和短路保護功能,系統可靠性得到大幅的提升。內置高速HVIC具備抵抗dv/dt和負壓的能力,提供一種無需光耦隔離的絕緣閘雙極電晶體IGBT驅動能力。內建的HVIC允許使用無需負功率的單功率驅動的拓撲。


要實現更高的可行性,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AEC-Q和AQG324認證,分立元件則按照AECQ100/101進行認證;並且可以考慮根據客戶特定的要求進行一些特殊的可靠性測試。


趨勢和挑戰

在高壓環境下的電動壓縮機選擇功率元件時需要考慮到裕量的概念,以確保有足夠的安全餘地應對各種條件下的電壓波動和瞬態事件。


裕量通常是基於以下幾種考慮:


1.穩態電壓裕量:在正常工作狀態下,考慮到電壓波動、負載變化等因素,設計時通常會讓實際工作電壓低於功率元件標稱耐壓值。例如,如果電池系統最高電壓為400V,則650V耐壓的元件提供了250V的電壓裕量。


2.瞬態電壓裕量:在開關操作或電網異常等情況下,可能會出現瞬間的電壓尖峰。此時裕量用來保證在這些短暫但強烈的電壓衝擊下,元件不會被擊穿。


3.可靠性裕量:長期運行過程中,功率元件的耐壓性能可能會因溫度、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元件壽命,提升整個系統的可靠性。


650V耐壓的功率元件應用於峰值電壓接近其額定值的系統時,設計者需要仔細評估電壓裕量是否足夠,確保在所有預期的操作條件下,功率元件都能安全穩定地工作。隨著電動汽車技術的發展,電池電壓平台不斷上升,有些車企的400V平台的峰值電壓達到了500V以上。當原有的650V ASPM模組在新的應用場合下裕量不足時,就會推動市場和技術向更高耐壓等級如750V的ASPM模組發展。


在800V平台,由於乘用車壓縮機尺寸較小,選用1200V模組時電路板設計難度相對較大,因為小型化的壓縮機內部空間有限,設計高電壓等級的電路板PCB佈局時需要確保關鍵元件之間有足夠的電氣安全距離,這對於高密度封裝的功率模組來說是一項挑戰。


模組在高電壓下工作時產生的損耗更大,需要高效的散熱方案,而小型化設計可能限制了散熱面積和散熱路徑的設計,增加熱管理設計的複雜度。高電壓等級意味著更高的電磁干擾風險,需要更加細致的電路板PCB走線設計和屏蔽措施,以符合相關電磁兼容標準。還需確保在高電壓水平下,電路板PCB的絕緣性能達標,防止爬電、擊穿等問題的發生。


高電壓和大電流傳輸所需的線路寬度、間距及層數都可能增加,同時也需要考慮降低寄生參?的影響,如電感和電阻,以最佳化開關性能和減少損耗。針對這些挑戰和需求,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,實現更佳的性能,面積縮小了36%,並且還提高絕緣耐壓特性,為電動壓縮機控制器的設計帶來更多提升。


電路設計和電路板PCB布局Tips


圖七 : 650V ASPM27系列應用電路圖
圖七 : 650V ASPM27系列應用電路圖

對於電路板PCB layout的設計建議:


1. 在設計時建議功率地和數位地單點接地,接地線盡量短且不能太寬;


2. 採樣電阻距離Nu、Nv、Nw接腳應該盡量短,減少走線帶來的寄生電感;


3. Csc保護RC的走線應該盡量短,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,對絕緣閘雙極電晶體IGBT產生的Vce尖峰吸收效果越好;


5. 自丟電容和穩壓管放置在距離模組接腳引腳最近的地方,每一路之間應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干擾源,應注意它與其他易受干擾的弱電電路之間的距離;


6. 模組供電電容也應盡量靠近模組接腳引腳;


7. 輸入控制訊號Vin的RC都應靠近模組接腳引腳,而非mcu,確保輸入到模組內部的訊號是乾淨的。



圖八 : 650 V ASPM27 PCB布局設計
圖八 : 650 V ASPM27 PCB布局設計

結語

ASPM模組是汽車電動壓縮機、水泵等馬達控制中理想的控制元件;但隨著汽車電池往更高的電壓發展(比如電池最高電壓達到900V以上),且效率要求越來越高,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。相同耐壓規格的SiC元件器件本身耐壓遠高於絕緣閘雙極電晶體IGBT,且其開關損耗遠低於絕緣閘雙極電晶體IGBT元件,可以適應更高轉速,更高效率的要求。


(本文作者Tom Huang為安森美現場應用工程師)


相關文章
電感式位置感測器改進工業馬達控制
車規碳化矽功率模組—基板和磊晶
單對乙太網路步入工廠車間
提升馬達控制驅動器整合度、最大化靈活性
當機器視覺結合AI技術 推動物聯網新進展
comments powered by Disqus
  相關新聞
» 2024博世科技日成就生活之美 用軟體科技帶動各領域創新
» 台達與德儀攜手成立實驗室 佈局先進電動車電源系統
» SEMICON Taiwan將於9月登場 探索半導體技術賦能AI應用無極限
» 工研院探討生成式AI驅動半導體產業 矽光子與先進封裝成關鍵
» DigiKey以完備的資訊安全計畫獲得 ISO 27001認證
  相關產品
» Littelfuse新款低側柵極驅動器適用於SiC MOSFET和高功率IGBT
» Microchip全新車載充電器解決方案 支援車輛關鍵應用
» Littelfuse單芯超級電容器保護積體電路用於增強型備用電源解決方案
» Microchip新型PIC32CK 32位元微控制器搭載硬體安全模組
» Microchip安全觸控螢幕控制器系列新品提供加密驗證和資料加密功能


刊登廣告 新聞信箱 讀者信箱 著作權聲明 隱私權聲明 本站介紹

Copyright ©1999-2024 遠播資訊股份有限公司版權所有 Powered by O3
地址:台北數位產業園區(digiBlock Taipei) 103台北市大同區承德路三段287-2號A棟204室
電話 (02)2585-5526 #0 轉接至總機 / E-Mail: webmaster@hope.com.tw