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电动汽车空调中的一项关键技术-IGBT

简介电动汽车空调中的一项关键技术-IGBT OHM的RGS系列是一款符合AEC-Q101标准的IGBT产品,具有1200伏和650...

电动汽车空调中的一项关键技术-IGBT

OHM的RGS系列是一款符合AEC-Q101标准的IGBT产品,具有1200伏和650伏的宽耐压范围,该系列具有较低的导通损耗,有助于提高应用产品的效率,实现小型化。是电动压缩机的变频器和高压加热器的较好选择。

前言

与使用内燃机的传统汽车相比,电动汽车的能效要高得多,但它也带来了一个问题:来自发动机的废热不再足以满足汽车的供暖需求。为了满足供暖需求,储存在电池中的部分电能必须转化为热能。为了实现独立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功率半导体来控制从电池到加热元件的能量流。冷却介质由加热元件加热,并通过热交换器输送到车辆的空调节系统,最后热空气由鼓风机输送到车辆。见图1示意图。

图1。电动汽车高压加热器的工作模式

普通电动汽车需要5kW~7kW的加热功率来满足加热需求。如果汽车的加热系统仅由负载电阻(加热元件)加热,功率范围将相应减小。然而,一些加热系统不仅依靠电阻来产生热量,而且还利用热泵的原理:通过从外部提供能量,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,对功率范围影响较小。然而,当使用这种供暖系统时,制造汽车的成本将会增加,其实用性取决于环境温度。在冬天非常寒冷的地区,这个系统不能产生足够的热量。在这些地方,传统的电阻加热器是必要的。

供暖系统不仅能保证乘客的舒适,还具有重要的安全功能。例如,给车窗除霜或给车内除湿,这样司机可以清楚地看到外面的路。电池需要一定的工作温度,加热器可以保证电池始终处于正常的工作温度范围内。如果有高电压峰值,加热器也可以作为放电电阻;如果汽车电气系统的电压异常升高,系统会吸收异常能量,从而限制过电压的程度。这些功能可以保护电池和其他与汽车电气系统相连的系统。

一个简单的电阻加热器如图2所示。开关的占空比是可调的,可以使功率输出始终与设定值相匹配。几个(通常是两个或三个)加热分支并联连接,以便更好地散热。为了在发生故障时安全关闭加热系统,有必要配置一个安全开关,并确保在正常运行期间安全开关始终处于开启状态。如果出现故障,这些开关将被关闭,从而将加热元件从车辆的高压电气系统上断开。

图2。具有两个加热元件的高压加热器的基本电路

ROHM的RGS IGBT产品系列符合 AEC-Q101 标准

在这种情况下使用的断路器只有IGBT。这种IGBT技术在大电流条件下具有很好的导电特性。虽然开关损耗高于金属氧化物半导体场效应晶体管,但基本上可以忽略不计,因为开关频率通常在几十赫兹(两位数)到几千赫兹的范围内。此外,产品系列包括两个电压等级,650伏和1200伏,常用于普通加热系统。表1列出了ROHM提供的符合AEC-Q101标准的RGS系列IGBT分立封装,非常适合此类应用。这些IGBT具有非常高的可靠性,能够满足加热器的典型要求,这将在下面进一步详细描述。

表1罗门IGBT RGS系列产品系列

大多数为400伏电池设计的系统通常使用650伏IGBT。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1200伏的解决方案。如果从电池到加热器的供电突然中断,汽车电气系统中的线路会产生明显的过电压,甚至损坏开关。因此,功率半导体具有较高的击穿电压,以防止加热器被损坏。1200伏IGBT支持800伏电池系统,并可串联以增加过压负载容量。

该应用的另一个特点是开关速度(dVCE/dt、dIC/dt)。切换速度取决于系统。与旨在实现高速开关频率的大多数其他应用相反,在这种应用情况下,开关速度通常被限制在较低水平。原因一方面是电磁兼容性的限制,另一方面是通过不使用滤波器或尽可能减少滤波器来节约成本的设计思想。一种简单的方法是降低开关过程中IGBT的速度,从而降低开关上升沿和下降沿的高次谐波分量。虽然这种解决方案会增加开关过程中的IGBT损耗,但没有必要为此增加任何元件。增加的损耗可以通过降低开关频率来补偿。切换时间在几微秒(一位数)的范围内。在极少数情况下,它可以达到10微秒(较小的两位数)。图3是栅极电阻在千欧姆范围内的IGBT传导过程的例子。因为它是一个电阻性负载,而不是一个普通的电感性负载,所以在开关过程中电压曲线和电流曲线会交叉。

图3。电阻负载和RG = 1.1 kω (RGS80TSX2DHR)时的IGBT开启过程

尽管这种与IGBT打交道的方式对于有经验的设计师来说似乎不常见,但也并非完全不可行。但是,不要减慢切换时间。应避免在每个开关周期内IGBT温度峰值过高,以免损害功率循环能力。此外,极慢的开关时间也可能给IGBT带来风险,因为在开关过程中它将在较低的栅极电压下工作。根据ROHM的经验,适当降低开关速度不会造成问题。凭借从各种项目中获得和积累的宝贵经验,ROHM可以为客户的评估提供有效的建议,从而帮助客户找到更好的解决方案。

IGBT还有一个不可忽视的特点,即短路容限(确保在故障情况下关闭)。通常,短路检测需要几微秒才能做出反应。在ROHM RGS IGBT系列中,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10 μ s,良好的短路耐受能力有利于故障处理对策的成功实施。

选择功率半导体的另一个原因是封装。在这种应用情况下,主要使用使用通孔插入技术(THT)的部件。通过将它们连接到外部散热器上,可以很容易地冷却它们。然而,由于通孔插入技术需要额外的工序,因此在生产过程中有其缺点。采用表面贴装技术(SMT)的元件(如TO-263封装产品)可以直接与其他元件焊接,具有更大的成本优势。虽然这项技术必须通过印刷电路板散热,这需要更高的散热,但它并不妨碍一些制造商今天考虑使用这项技术。ROHM一直致力于相关研究,以便及时做出反应。目前,采用表面贴装技术的产品正在开发中,RGS系列IGBT的产品阵容正在不断扩大。图4显示了ROHM RGS系列IGBT的不同封装规格。

图4。RGS系列IGBT包装系列

当然,除了IGBT,ROHM的产品组中还有许多其他产品也适用于高压加热器。它包括栅极驱动集成电路、分流电阻、比较器、运算放大器和电压调节器。在IGBT领域,罗门可以提供符合AEC-Q101标准的全套IGBT产品。这些产品包装在TO-247中,额定电流为30~50A。有两种类型:是/否内置二极管。此外,计划在2020年在RGS系列中增加SMD产品:650伏电压等级,TO-263-3L封装,15~40A,是/否IGBT;内置二极管;在产品系列中,将增加TO-247封装中额定电流较高的产品,即电压等级为650伏、额定电流从50A增加到75A的产品。丰富的产品阵容将拓宽客户的选择,客户可以根据加热器的工作条件选择更好的产品。

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