電動(dòng)汽車空調(diào)的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)——IGBT
發(fā)布時(shí)間:2020-08-10 來源:ROHM 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】ROHM的RGS系列是符合AEC-Q101標(biāo)準(zhǔn)、且具有1200V 和650V寬耐壓范圍的IGBT產(chǎn)品。該系列具有更低的傳導(dǎo)損耗,有助于提高應(yīng)用產(chǎn)品的效率并實(shí)現(xiàn)小型化,是電動(dòng)壓縮機(jī)的逆變器和高壓加熱器的更佳選擇。
前言
與使用內(nèi)燃機(jī)的傳統(tǒng)汽車相比,電動(dòng)汽車的能效要高得多,但這也帶來一個(gè)問題:來自電機(jī)的廢熱不再足以滿足車內(nèi)的取暖需求。要想滿足取暖需求,必須將電池中存儲(chǔ)的部分電能轉(zhuǎn)換為熱能。為了實(shí)現(xiàn)不依賴于工作溫度或電池電壓的可調(diào)加熱功率,在新一代高壓加熱器中使用了功率半導(dǎo)體,來控制從電池到加熱元件的能量流。由加熱元件加熱冷媒,并通過熱交換器將冷媒輸送到車輛的空調(diào)系統(tǒng)中,最后由鼓風(fēng)機(jī)將暖風(fēng)輸送到車內(nèi)。參見圖1原理圖。
圖1. 電動(dòng)汽車中高壓加熱器的工作模式
普通的電動(dòng)汽車需要5kW~7kW的加熱功率來滿足取暖所需。如果汽車的加熱系統(tǒng)僅通過負(fù)載電阻(加熱元件)進(jìn)行加熱,則該功率范圍會(huì)相應(yīng)地縮小。但是,也有一些加熱系統(tǒng)不僅僅依靠電阻來發(fā)熱,而是使用了熱泵原理:通過外部提供能量的方式將熱能從冷源(環(huán)境)傳遞到熱源(車內(nèi))。熱泵的能量平衡性優(yōu)于負(fù)載電阻加熱的方式,并且對(duì)功率范圍的影響較小。然而,使用這種加熱系統(tǒng)時(shí),造車成本會(huì)增加,并且其實(shí)用性取決于環(huán)境溫度。在冬季非常寒冷的地區(qū),這種系統(tǒng)無法產(chǎn)生足夠的熱量,在這些地方,傳統(tǒng)的電阻加熱器是必不可少的。
加熱系統(tǒng)不僅能夠確保乘坐者的舒適性,還具有重要的安全功能。例如,為車窗除霜或進(jìn)行車內(nèi)除濕,從而使駕駛員可以清晰地看到外面的路況。電池需要一定的工作溫度,而加熱器可以確保電池始終處于正常的工作溫度范圍內(nèi)。如果出現(xiàn)高壓峰值,加熱器還可以充當(dāng)放電電阻;如果汽車電氣系統(tǒng)的電壓異常升高,則該系統(tǒng)能夠吸收異常能量,從而限制過電壓的程度。這些功能可以保護(hù)電池以及與汽車電氣系統(tǒng)相連接的其他系統(tǒng)。
簡易的電阻加熱器如圖2所示。開關(guān)的占空比可調(diào),能夠使功率輸出始終與設(shè)定值匹配。幾個(gè)(通常是兩個(gè)或三個(gè))加熱支路并聯(lián),以更好地進(jìn)行熱量分散。為了在發(fā)生故障時(shí)能夠安全地關(guān)斷加熱系統(tǒng),需要配置安全開關(guān),并在正常運(yùn)行期間確保安全開關(guān)始終處于接通狀態(tài)。如果發(fā)生故障,這些開關(guān)將關(guān)斷,從而斷開加熱元件與車輛的高壓電氣系統(tǒng)的連接。
圖2. 具有兩個(gè)加熱元件的高壓加熱器的基本電路
ROHM的 RGS IGBT產(chǎn)品系列符合AEC-Q101標(biāo)準(zhǔn)
該案例中使用的斷路器只有IGBT。這種IGBT技術(shù)在大電流條件下具有非常好的傳導(dǎo)特性。雖然與MOSFET相比開關(guān)損耗較高,但基本可以忽略,因?yàn)殚_關(guān)頻率通常在幾十赫茲(兩位數(shù))至幾千赫茲的范圍之間。此外,產(chǎn)品陣容中包括650V和1200V兩種電壓級(jí),都是普通加熱系統(tǒng)中常用的電壓級(jí)。表1中列出了ROHM提供的符合AEC-Q101標(biāo)準(zhǔn)的分立封裝RGS系列IGBT,非常適用于這類應(yīng)用。這些IGBT具有非常高的可靠性,能夠滿足加熱器的典型要求,下面進(jìn)一步進(jìn)行詳細(xì)介紹。
表 1 ROHM IGBT RGS系列的產(chǎn)品陣容
大多數(shù)為400V電池設(shè)計(jì)的系統(tǒng)通常使用650V的IGBT。然而,近年來,為了提高加熱器的耐壓能力,越來越傾向于使用1200V的解決方案。如果從電池到加熱器的電源突然中斷,則汽車電氣系統(tǒng)中的線路會(huì)產(chǎn)生明顯的過電壓,甚至可能會(huì)損壞開關(guān)。因此,可以利用功率半導(dǎo)體具有較高的擊穿電壓這一特性來防止加熱器損壞。1200V IGBT支持800V的電池系統(tǒng),并且可以通過串聯(lián)的方式來增加過壓負(fù)載能力。
該應(yīng)用的另一個(gè)特點(diǎn)是開關(guān)速度(dVCE / dt,dIC / dt)。開關(guān)速度取決于系統(tǒng)。與其他大部分旨在實(shí)現(xiàn)高速開關(guān)頻率的應(yīng)用相反,在該應(yīng)用案例中,開關(guān)速度通常被限制在較低水平。究其原因,一方面是受制于EMC(電磁兼容性)的局限性,另一方面是由于不使用濾波器或盡可能地減少濾波器以節(jié)省成本的設(shè)計(jì)思想。一種簡單的方法是降低IGBT在開關(guān)過程中的速度,以減少開關(guān)上升沿和下降沿的高次諧波成分。雖然這種解決方案會(huì)導(dǎo)致IGBT在開關(guān)過程中的損耗增加,但并不需要為此增加任何元器件。可以通過降低開關(guān)頻率來補(bǔ)償增加的損耗。開關(guān)時(shí)間在幾微秒(個(gè)位數(shù))的范圍內(nèi)。在極少數(shù)情況下,可以達(dá)到十幾微秒(較小的兩位數(shù))的程度。圖3為柵極電阻在千歐范圍內(nèi)的IGBT導(dǎo)通過程示例。由于是阻性負(fù)載,而不是常見的感性負(fù)載,因此電壓曲線和電流曲線在開關(guān)過程中會(huì)交叉。
圖3. 具有阻性負(fù)載且RG = 1.1kΩ的IGBT(RGS80TSX2DHR)的導(dǎo)通過程
盡管這種處理IGBT的方式對(duì)于有經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)人員來說似乎不太常見,但也并不是完全不可行。不過,也不要把開關(guān)時(shí)間降得太慢。應(yīng)避免IGBT在每次開關(guān)期間出現(xiàn)過大的溫度尖峰,以免損害功率循環(huán)能力。另外,極慢的開關(guān)時(shí)間對(duì)于IGBT來說可能也存在風(fēng)險(xiǎn),因?yàn)樗陂_關(guān)過程中會(huì)以較低的柵極電壓工作。根據(jù)ROHM的經(jīng)驗(yàn),適當(dāng)減緩開關(guān)速度并不會(huì)引發(fā)問題。憑借從各種項(xiàng)目中獲得并積累的寶貴經(jīng)驗(yàn),ROHM能夠?yàn)榭蛻舻脑u(píng)估提供有效的建議,以幫助客戶找到更好的解決方案。
IGBT還有一個(gè)不容忽視的特點(diǎn),即短路耐受能力(確保在出現(xiàn)故障時(shí)關(guān)斷)。通常,短路檢測需要幾微秒的時(shí)間才能做出反應(yīng)。ROHM RGS系列IGBT中,650V級(jí)產(chǎn)品的短路耐受時(shí)間為8μs,1200V級(jí)產(chǎn)品的短路耐受時(shí)間為10μs。出色的短路耐受能力有助于成功地實(shí)施故障處理對(duì)策。
選擇功率半導(dǎo)體的另一原因是封裝。在該應(yīng)用案例中,主要使用采用通孔插裝技術(shù)(THT)的元器件。將它們連接到外部散熱器,可以輕松地實(shí)現(xiàn)冷卻。但是,由于通孔插裝技術(shù)需要額外的工序,因此在生產(chǎn)過程中存在其缺點(diǎn)。而采用表面貼裝技術(shù)(SMT)的元器件(例如常見的TO-263封裝產(chǎn)品)可以直接與其他元器件焊接在一起,更具成本優(yōu)勢。盡管該技術(shù)必須通過PCB散熱,對(duì)散熱的要求更高,但這并不妨礙當(dāng)今的一些制造商考慮使用該技術(shù)。ROHM一直致力于相關(guān)研究,以便及時(shí)做出反應(yīng)。目前,正在開發(fā)采用SMT技術(shù)的產(chǎn)品,不斷地?cái)U(kuò)充RGS系列IGBT的產(chǎn)品陣容。圖4為ROHM RGS系列IGBT采用的不同封裝規(guī)格。
圖4. RGS系列IGBT的封裝陣容
當(dāng)然,除了IGBT,ROHM的產(chǎn)品群中還有其他很多產(chǎn)品也適用于高壓加熱器。其中包括柵極驅(qū)動(dòng)器IC、分流電阻、比較器、運(yùn)算放大器和穩(wěn)壓器。在IGBT領(lǐng)域,ROHM是能夠提供符合AEC-Q101標(biāo)準(zhǔn)的全系列IGBT產(chǎn)品。這些產(chǎn)品采用TO-247封裝,額定電流為30~50A,分是/否內(nèi)置二極管兩種。此外,還計(jì)劃在2020年在RGS系列中新增SMD產(chǎn)品:650V電壓級(jí)、TO-263-3L封裝、15~40A、是/否內(nèi)置二極管的IGBT;產(chǎn)品陣容還將新增采用TO-247封裝、額定電流更大的產(chǎn)品,即650V電壓級(jí)、將50A的額定電流提高到75A的產(chǎn)品。豐富的產(chǎn)品陣容將使客戶的選擇范圍更廣,客戶可以根據(jù)加熱器的工作條件從中選擇更佳產(chǎn)品。
推薦閱讀:
特別推薦
- 克服碳化硅制造挑戰(zhàn),助力未來電力電子應(yīng)用
- 了解交流電壓的產(chǎn)生
- 單結(jié)晶體管符號(hào)和結(jié)構(gòu)
- 英飛凌推出用于汽車應(yīng)用識(shí)別和認(rèn)證的新型指紋傳感器IC
- Vishay推出負(fù)載電壓達(dá)100 V的業(yè)內(nèi)先進(jìn)的1 Form A固態(tài)繼電器
- 康佳特推出搭載AMD 銳龍嵌入式 8000系列的COM Express緊湊型模塊
- 村田推出3225尺寸車載PoC電感器LQW32FT_8H系列
技術(shù)文章更多>>
- “扒開”超級(jí)電容的“外衣”,看看超級(jí)電容“超級(jí)”在哪兒
- DigiKey 誠邀各位參會(huì)者蒞臨SPS 2024?展會(huì)參觀交流,體驗(yàn)最新自動(dòng)化產(chǎn)品
- 提前圍觀第104屆中國電子展高端元器件展區(qū)
- 高性能碳化硅隔離柵極驅(qū)動(dòng)器如何選型,一文告訴您
- 貿(mào)澤電子新品推薦:2024年第三季度推出將近7000個(gè)新物料
技術(shù)白皮書下載更多>>
- 車規(guī)與基于V2X的車輛協(xié)同主動(dòng)避撞技術(shù)展望
- 數(shù)字隔離助力新能源汽車安全隔離的新挑戰(zhàn)
- 汽車模塊拋負(fù)載的解決方案
- 車用連接器的安全創(chuàng)新應(yīng)用
- Melexis Actuators Business Unit
- Position / Current Sensors - Triaxis Hall
熱門搜索
濾波電感
濾波器
路由器設(shè)置
鋁電解電容
鋁殼電阻
邏輯IC
馬達(dá)控制
麥克風(fēng)
脈沖變壓器
鉚接設(shè)備
夢想電子
模擬鎖相環(huán)
耐壓測試儀
逆變器
逆導(dǎo)可控硅
鎳鎘電池
鎳氫電池
紐扣電池
歐勝
耦合技術(shù)
排電阻
排母連接器
排針連接器
片狀電感
偏光片
偏轉(zhuǎn)線圈
頻率測量儀
頻率器件
頻譜測試儀
平板電腦