IGBT –电动汽车空调的一项关键技术

winniewei 提交于 周二, 08/04/2020
IGBT –电动汽车空调的一项关键技术

ROHM的RGS系列是符合AEC-Q101标准、且具有1200V 和650V宽耐压范围IGBT产品。该系列具有更低的传导损耗,有助于提高应用产品的效率并实现小型化,是电动压缩机的逆变器高压加热器的更佳选择。

前言

使用内燃机的传统汽车相比,电动汽车的能效要高得多,但这也带来一个问题:来自电机的废热不再足以满足车内取暖需求。要想满足取暖需求必须将电池中存储的部分电能转换热能。为了实现不依赖于工作温度或电池电压的可调加热功率,在新一代高压加热器中使用了功率半导体,来控制从电池到加热元件的能量流加热元件加热冷媒通过热交换器将冷媒输送到车辆的空调系统中,最后由鼓风机将暖风输送到车内。参见图1原理图。

图1.  电动汽车中高压加热器的工作模式

1.  电动汽车中高压加热器的工作模式

普通电动汽车需要5kW~7kW的加热功率来满足取暖所需。如果汽车的加热系统通过负载电阻(加热元件)进行加热,则功率范围会相应地缩小但是,也有一些加热系统不仅仅依靠电阻来发热,而使用热泵原理:通过外部提供能量的方式将热能从冷源(环境)传递到热源(车内)热泵的能量平衡优于负载电阻加热的方式,并且对功率范围的影响较小。然而,使用这种加热系统时,造车成本增加并且其实用性取决于环境温度。在冬季非常寒冷的地区,这系统无法产生足够的热量,在这些地方,传统的电阻加热器必不可少

加热系统不仅能够确保乘坐者的舒适,还具有重要的安全功能例如,为车窗除霜或进行车内除湿,从而使驾驶可以清晰地看到外面的路况。电池需要一定的工作温度,而加热器可以确保电池始终处于正常工作温度范围内。如果出现高压峰值,加热器还可以充当放电电阻如果汽车电气系统的电压异常升高,则该系统能够吸收异常能量,从而限制过电压的程度。这些功能可以保护电池以及与汽车电气系统相连接的其他系统。

简易的电阻加热器如图2所示。开关的占空比可调能够使功率输出始终与设定值匹配。几个(通常是两个或三个)加热支路并联,以更好地进行热量分散。为了在发生故障时能够安全地关断加热系统,需要配置安全开关,在正常运行期间确保安全开关始终处于接通状态。如果发生故障,这些开关将关断,从而断开加热元件与车辆高压电气系统连接。

图2.  具有两个加热元件的高压加热器的基本电路

2.  具有两个加热元件的高压加热器的基本电路

ROHM RGS IGBT产品系列符合AEC-Q101标准

该案例中使用的断路器只有IGBT。这种IGBT技术大电流条件下具有非常好的传导特性。虽然与MOSFET相比开关损耗较高,但基本可以忽略,因为开关频率通常在几十赫兹(两位数)至几千赫兹的范围之间。此外,产品阵容中包括650V和1200V两种电压级都是普通加热系统中常用的电压级表1中列出了ROHM提供的符合AEC-Q101标准的分立封装RGS系列IGBT,非常适用于这类应用。这些IGBT具有非常高的可靠性,能够满足加热器的典型要求,下面进一步进行详细介绍

表 1  ROHM IGBT RGS系列的产品阵容

 1  ROHM IGBT RGS系列的产品阵容

大多数为400V电池设计的系统通常使用650VIGBT。然而,近年来,为了提高加热器的耐压能力,越来越倾向于使用1200V的解决方案。如果从电池到加热器的电源突然中断,则汽车电气系统中的线路产生明显的过电压,甚至可能会损坏开关。因此,可以利用功率半导体具有较高击穿电压这一特性来防止加热器损坏。1200V IGBT支持800V的电池系统,并且可以通过串联的方式来增加过压负载能力。

应用的另一个特点是开关速度(dVCE / dt,dIC / dt)。开关速度取决于系统。与其他大部分旨在实现高速开关频率的应用相反,在该应用案例中,开关速度通常被限制较低水平究其原因,一方面受制于EMC(电磁兼容性)的局限性,另一方面是由于不使用滤波器或尽可能减少滤波器以节省成本的设计思想。一种简单的方法是降低IGBT在开关过程中的速度,以减少开关上升沿和下降沿高次谐波成分。虽然这种解决方案会导致IGBT在开关过程中的损耗增加,但不需要为此增加任何元器件可以通过降低开关频率来补偿增加的损耗。开关时间在几微秒(个位数)的范围内。在极少数情况下,可以达到十几微秒(较小的两位数)的程度图3为栅极电阻在千欧范围内的IGBT导通过程示例。由于是阻性负载,而不是常见的感性负载,因此电压曲线和电流曲线在开关过程中交叉。

图3.  具有阻性负载且RG = 1.1kΩ的IGBT(RGS80TSX2DHR)的导通过程

3.  具有阻性负载且RG = 1.1kΩ的IGBT(RGS80TSX2DHR)的导通过程

尽管这种处理IGBT的方式对于有经验的设计人员来说似乎不太常见,但也并不是完全不可行。不过,也不要把开关时间降得太慢。应避免IGBT在每次开关期间出现过大的温度尖峰,以免损害功率循环能力。另外,极慢的开关时间对于IGBT来说可能也存在风险,因为在开关过程中会以较低的栅极电压工作。根据ROHM的经验,适当减缓开关速度并不会引发问题凭借从各种项目中获得并积累的宝贵经验,ROHM能够客户的评估提供有效的建议,以帮助客户找到更好的解决方案。

IGBT还有一个不容忽视的特点,即短路耐受能力确保在出现故障时关断。通常,短路检测需要几微秒的时间才能做出反应。ROHM RGS系列IGBT中650V级产品的短路耐受时间为8μs,1200V级产品的短路耐受时间为10μs。出色的短路耐受能力有助于成功地实施故障处理对策。

选择功率半导体的另一原因是封装。在应用案例中,主要使用采用通孔插装技术(THT)的元器件。将它们连接到外部散热器,可以轻松地实现冷却。但是,由于通孔插装技术需要额外的工序,因此在生产过程存在其缺点。采用表面贴装技术(SMT)的元器件(例如常见的TO-263封装产品)可以直接与其他元器件焊接在一起,具成本优势。尽管该技术必须通过PCB散热,对散热要求更高,但这并不妨碍当今一些制造商考虑使用该技术。ROHM一直致力于相关研究,以便及时做出反应。目前,正在开发采用SMT技术的产品,不断地扩充RGS系列IGBT产品阵容。图4为ROHM RGS系列IGBT采用的不同封装规格

图4.  RGS系列IGBT的封装阵容

4.  RGS系列IGBT的封装阵容

当然,除了IGBT,ROHM产品中还有其他很多产品也适用于高压加热器。其中包括栅极驱动器IC、分流电阻、比较器、运算放大器和稳压器。在IGBT领域,ROHM是能够提供符合AEC-Q101标准的全系列IGBT产品。这些产品采用TO-247封装,额定电流为30~50A,分是/否内置二极管两种。此外,还计划在2020年RGS系列中新增SMD产品:650V电压级TO-263-3L封装15~40A、是/否内置二极管IGBT;产品阵容还将新增采用TO-247封装额定电流更大的产品,即650V电压级、将50A的额定电流提高到75A的产品丰富的产品阵容将使客户的选择范围广,客户可以根据加热器工作条件从中选择更佳产品

【关于罗姆(ROHM)】

姆(ROHM)成立于1958年,由最初的主要产品-阻器的生开始,历经半个多世展,已成全球知名的半体厂商。姆的企理念是:“我量放在第一位。无遇到多大的困,都将国内外用源源不断地提供大量优质产品,并文化的步与提高作出献”。

姆的生售、研遍及世界各地。品涉及多个域,其中包括IC、分立式元器件、光学元器件、无源元器件、功率元器件、模块等。在世界子行中,姆的众多高品质产品得到了市可和赞许,成IC和先进半导体技方面

【关于罗姆(ROHM)在中国的业务发展】

售网点:最早于1974年成立了罗姆半体香港有限公司。在1999年成立了罗姆半体(上海)有限公司, 2006年成立了罗姆半体(深圳)有限公司,2018年成立了罗姆半体(北京)有限公司。了迅速且准确应对不断大的中国市的要求,姆在中国构建了与部同的集开售、制造于一体的一条体制。作为罗姆的特色,极开展“密切近客”的售活,力求向客提供周到的服。目前在全国共有20处销售网点,其中包括香港、上海、深圳、北京这4家销售公司以及其16家分公司(分公司:大连、天津、青岛、南京、合肥、州、杭州、宁波、西安、武莞、广州、厦、珠海、重庆、福州)。并且,正在逐步大分

技术中心:在上海和深圳设技术中心和QA中心,在北京设技术中心,提供技和品支持。技术中心配精通各的开设计支持人,可以从件到硬件以合解决方案的形式,针对需求行技提案。并且,当生不良情况,QA中心会在24小时以内做出答复。

生产基地:1993年在天津(罗姆半体(中国)有限公司)和大子大有限公司)分建立了生工厂。在天津行二极管、LED、激光二极管、LED示器和光学感器的生,在大连进源模敏打印、接触式感器、光学感器的生,作为罗姆的主力生基地,源源不断地向中国国内外提供高品质产品。

社会贡献:致力于与国内外众多研究机关和企合作,极推进产学研合的研。2006年与清华大学签订合框架协议极地展开关于子元器件尖端技合。2008年,在清华大学内捐“清-子工程”,并已于20114月竣工。2012年,在清华大学立了“清-合研究中心”,从事光学元器件、通信广播、生物芯片、SiC功率器件应用、非挥发处理器芯片、感器和感器网施健康监测)、人工智能(机器健康检测等联合研究目。除清大学之外,与国内多家知名高校学合作,不断出丰成果。

姆将以年不断累起来的技力量和高品以及可靠性,通集开、生一体的扎的技支持、客体制,与客构筑坚实的合作关系,作扎根中国的企提高客户产力、客户业务发展以及中国的保事做出献。

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