電動(dòng)壓縮機(jī)設(shè)計(jì)-ASPM模塊篇

壓縮機(jī)是汽車空調(diào)的一部分，它通過(guò)將制冷劑壓縮成高溫高壓的氣體，再流經(jīng)冷凝器，節(jié)流閥和蒸發(fā)器換熱，實(shí)現(xiàn)車內(nèi)外的冷熱交換。傳統(tǒng)燃油車以發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力，通過(guò)皮帶帶動(dòng)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。而新能源汽車脫離了發(fā)動(dòng)機(jī)，以電池為動(dòng)力，通過(guò)逆變電路驅(qū)動(dòng)無(wú)刷直流電機(jī)，從而帶動(dòng)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)空調(diào)的冷熱交換功能。

電動(dòng)壓縮機(jī)是電動(dòng)汽車熱管理的核心部件，除了可以提高車廂內(nèi)的環(huán)境舒適度（制冷，制熱）以外，對(duì)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的溫度控制發(fā)揮著重要作用，對(duì)電池的使用壽命、充電速度和續(xù)航里程都至關(guān)重要。

圖1：電動(dòng)壓縮機(jī)是電動(dòng)汽車熱管理的核心部件

電動(dòng)壓縮機(jī)需要滿足不斷增加的需求，包括低成本、更小尺寸、更少振動(dòng)和噪聲、更高功率級(jí)別和更高能效。這些需求離不開(kāi)壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)和優(yōu)秀器件的選型。

電動(dòng)壓縮機(jī)控制器功能包括：驅(qū)動(dòng)電機(jī)（逆變電路：包括ASPM模塊或者分立器件搭載門極驅(qū)動(dòng)，電壓/電流/溫度檢測(cè)及保護(hù)，電源轉(zhuǎn)換），與主機(jī)通訊（CAN或者LIN ,接收啟停和轉(zhuǎn)速信號(hào)，發(fā)送運(yùn)行狀態(tài)和故障信號(hào)）等，安森美(onsemi)在每個(gè)電路中都有相應(yīng)的解決方案（圖1）。本文重點(diǎn)探討逆變電路ASPM模塊方案。

圖2：電動(dòng)壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)電路控制框圖

ASPM 汽車級(jí)智能功率模塊

汽車級(jí)智能功率模塊（Automotive Smart Power Module，ASPM）是一種集成了功率半導(dǎo)體器件、驅(qū)動(dòng)電路和控制電路的模塊化解決方案，旨在提供高效、可靠、緊湊的電力轉(zhuǎn)換和控制。

圖3：安森美(onsemi)的ASPM27(左)和ASPM34(右)

ASPM汽車級(jí)智能功率模塊的優(yōu)勢(shì)

ASPM模塊功率芯片和 IC 芯片被直接焊接到銅質(zhì)的引腳框架上，接著用陶瓷覆蓋引腳框架，最后放到環(huán)氧樹(shù)脂中澆鑄成型。相比分立方案來(lái)說(shuō)大大減小了寄生電感，減少了整體設(shè)計(jì)的器件的數(shù)量和PCB 板所需的面積，提供高絕緣耐壓并能維持良好散熱性能。

圖4：ASPM內(nèi)部結(jié)構(gòu)

1. 成本

在成本上如果單獨(dú)比較ASPM模塊和分立器件的器件成本，模塊的成本會(huì)更高。但從整個(gè)系統(tǒng)成本來(lái)說(shuō)，考慮到PCB、機(jī)械安裝、質(zhì)量和性能成本，系統(tǒng)功率越高，使用ASPM模塊會(huì)更有優(yōu)勢(shì)。

2. 熱性能

圖5：ASPM的熱性能優(yōu)勢(shì)

在電動(dòng)壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)中，散熱特性是一個(gè)關(guān)鍵因素，它直接影響到模塊的電流承載能力。因此，封裝的散熱特性在決定其性能表現(xiàn)時(shí)至關(guān)重要。在散熱特性、封裝尺寸以及隔離特性之間存在著權(quán)衡關(guān)系。優(yōu)秀的封裝技術(shù)的關(guān)鍵在于，優(yōu)化封裝尺寸，同時(shí)保持卓越的散熱性能，而不犧牲隔離等級(jí)。

以650V ASPM27系列為例，這些模塊采用了DBC（覆銅板）基板技術(shù)，帶來(lái)了良好的散熱性能。功率芯片直接貼裝在DBC基板上，使得熱量能夠更有效地從芯片傳導(dǎo)至外部，從而提高了散熱效率和可靠性，這對(duì)于維持功率模塊在大電流工作下的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和延長(zhǎng)使用壽命至關(guān)重要。

因?yàn)闇囟戎苯佑绊懏a(chǎn)品的性能、可靠性和壽命，所以大多數(shù)設(shè)計(jì)者都希望精確了解功率芯片的溫度。然而，由于封裝內(nèi)部的功率芯片（如IGBT、FRD）是在高壓條件下工作的，直接測(cè)量其溫度變得較為困難。過(guò)去，由于成本和技術(shù)原因，設(shè)計(jì)者往往不是直接測(cè)量功率芯片的溫度，而是采用外置的NTC熱敏電阻去檢測(cè)模塊或散熱器的溫度，這種方法雖然簡(jiǎn)單，但并不能準(zhǔn)確反映功率組件本身的溫度情況。而在1200V ASPM34系列中，設(shè)計(jì)上的一大創(chuàng)新點(diǎn)就是將NTC熱敏電阻與功率芯片集成在同一陶瓷基板上，實(shí)現(xiàn)在模塊內(nèi)部進(jìn)行溫度采樣。這樣一來(lái)，就能夠更加準(zhǔn)確地反映出功率芯片的實(shí)際溫度狀況，讓開(kāi)發(fā)人員清楚的知道模塊內(nèi)部溫度裕量，并在系統(tǒng)控制中做相應(yīng)的措施，比如在低轉(zhuǎn)速時(shí)，系統(tǒng)散熱不好導(dǎo)致模塊溫度過(guò)高，可以適當(dāng)提高頻率，加強(qiáng)散熱；或者在高頻大功率時(shí)適當(dāng)降低頻率或者做過(guò)溫停機(jī)保護(hù)。安森美的ASPM模塊的開(kāi)關(guān)頻率設(shè)計(jì)高達(dá)20kHz以上（ASPM27-V3可達(dá)40kHz,FS4的IGBT開(kāi)關(guān)速度更快,開(kāi)關(guān)損耗更低），可以輕松應(yīng)對(duì)現(xiàn)有電動(dòng)壓縮機(jī)15000轉(zhuǎn)/分鐘以下的轉(zhuǎn)速采樣要求。

圖6：ASPM27內(nèi)部電路框圖

3. 功率密度

ASPM相比分立IGBT方案極大程度的降低了線路電感，無(wú)需考慮分立器件間的電氣安全距離；引腳與散熱面間高達(dá)2500V的絕緣，無(wú)需像IGBT那樣必須額外增加絕緣墊片。且安裝方便，可靠性高。

圖7：ASPM方案對(duì)比分立IGBT方案的功率密度

4. 可靠性

ASPM模塊集成了優(yōu)化的保護(hù)電路和與IGBT 開(kāi)關(guān)特征相匹配的驅(qū)動(dòng)，可以為開(kāi)發(fā)者極大的縮短電路匹配和開(kāi)發(fā)時(shí)間。通過(guò)集成欠壓保護(hù)功能和短路保護(hù)功能，系統(tǒng)可靠性得到了很大程度的提高。內(nèi)置高速 HVIC 具備抵抗dv/dt 和負(fù)壓的能力，提供了一種無(wú)需光耦隔離的 IGBT 驅(qū)動(dòng)能力。集成的 HVIC 允許使用無(wú)需負(fù)電源的單電源驅(qū)動(dòng)的拓?fù)洹?/p>

圖8：HVIC具備抵抗dv/dt和負(fù)壓能力

要實(shí)現(xiàn)更高的可靠性，可以盡量減小不同材料間CTE的mismatch。安森美的ASPM模塊通過(guò)AEC-Q和AQG324認(rèn)證，分立器件是按照AECQ100/101進(jìn)行認(rèn)證的。我們也可以考慮根據(jù)客戶特定的要求進(jìn)行一些特殊的可靠性測(cè)試。

趨勢(shì)和挑戰(zhàn)

為高壓環(huán)境下的電動(dòng)壓縮機(jī)選擇功率器件時(shí)需要考慮到裕量的概念，以確保有足夠的安全余地應(yīng)對(duì)各種條件下的電壓波動(dòng)和瞬態(tài)事件。

裕量通常是基于以下幾種考慮：

1. 穩(wěn)態(tài)電壓裕量：在正常工作狀態(tài)下，考慮到電壓波動(dòng)、負(fù)載變化等因素，設(shè)計(jì)時(shí)通常會(huì)讓實(shí)際工作電壓低于功率器件標(biāo)稱耐壓值，比如如果電池系統(tǒng)最高電壓為400V，則650V耐壓的器件提供了250V的電壓裕量。

2. 瞬態(tài)電壓裕量：在開(kāi)關(guān)操作或電網(wǎng)異常等情況下，可能會(huì)出現(xiàn)瞬間的電壓尖峰，此時(shí)裕量用來(lái)保證在這些短暫但強(qiáng)烈的電壓沖擊下，器件不會(huì)被擊穿。

3. 可靠性裕量：長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中，功率器件的耐壓性能可能會(huì)因?yàn)闇囟?、老化等因素逐漸下降，因此提供足夠的電壓裕量有助于延長(zhǎng)器件壽命，提升整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。

650V耐壓的功率器件在應(yīng)用于峰值電壓接近其額定值的系統(tǒng)時(shí)，設(shè)計(jì)者需要仔細(xì)評(píng)估電壓裕量是否足夠，確保在所有預(yù)期的操作條件下，功率器件都能安全穩(wěn)定地工作。隨著電動(dòng)汽車技術(shù)的發(fā)展，電池電壓平臺(tái)不斷上升，有些車企的400V平臺(tái)的峰值電壓達(dá)到了500V以上，當(dāng)原有的650V ASPM模塊在新的應(yīng)用場(chǎng)合下裕量不足時(shí)，就會(huì)推動(dòng)市場(chǎng)和技術(shù)向更高耐壓等級(jí)如750V的ASPM模塊發(fā)展。

在800V平臺(tái)，由于乘用車壓縮機(jī)尺寸比較小，選用1200V 模塊時(shí)PCB設(shè)計(jì)難度相對(duì)較大，因?yàn)樾⌒突膲嚎s機(jī)內(nèi)部空間有限，設(shè)計(jì)高電壓等級(jí)的PCB布局時(shí)需要確保關(guān)鍵元器件之間有足夠的電氣安全距離，這對(duì)于高密度封裝的功率模塊來(lái)說(shuō)是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。模塊在高電壓下工作時(shí)產(chǎn)生的損耗更大，需要高效的散熱方案，而小型化設(shè)計(jì)可能限制了散熱面積和散熱路徑的設(shè)計(jì)，增加了熱管理設(shè)計(jì)的復(fù)雜度。高電壓等級(jí)意味著更高的電磁干擾風(fēng)險(xiǎn)，需要更加細(xì)致的PCB走線設(shè)計(jì)和屏蔽措施，以符合相關(guān)電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)。還需確保在高電壓水平下，PCB的絕緣性能達(dá)標(biāo)，防止爬電、擊穿等問(wèn)題的發(fā)生。高電壓和大電流傳輸所需的線路寬度、間距以及層數(shù)都可能增加，同時(shí)也需要考慮降低寄生參數(shù)的影響，如電感和電阻，以優(yōu)化開(kāi)關(guān)性能和減少損耗。針對(duì)這些挑戰(zhàn)和需求，安森美即將推出下一代更小尺寸的1200V模塊，內(nèi)部集成最新的FS7 IGBT，解決上述挑戰(zhàn)，實(shí)現(xiàn)更優(yōu)化的性能，面積縮小了36%，并且還提高了絕緣耐壓特性，為電動(dòng)壓縮機(jī)控制器的設(shè)計(jì)帶來(lái)更多提升。

電路設(shè)計(jì)和PCB布局Tips

圖9：650V ASPM27系列應(yīng)用電路圖

圖示的器件參數(shù)請(qǐng)參考650V ASPM27汽車智能功率模塊系列應(yīng)用手冊(cè)：https://www.onsemi.cn/download/application-notes/pdf/and9800-d.pdf。

對(duì)于PCB layout的設(shè)計(jì)建議：

1. 設(shè)計(jì)時(shí)建議功率地和數(shù)字地單點(diǎn)接地，接地線盡量短且不能太寬；

2. 采樣電阻距離Nu，Nv，Nw引腳應(yīng)該盡量的短，減少走線帶來(lái)的寄生電感；

3. Csc保護(hù)RC的走線應(yīng)該盡量的短，且濾波電容的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塊越近，對(duì)IGBT產(chǎn)生的Vce尖峰吸收效果越好；

5. 自舉電容和穩(wěn)壓管放置在距離模塊引腳最近的地方，每一路之間應(yīng)考慮電氣間隙和爬電距離要求；自舉電容的充放電讓其本身成為一個(gè)干擾源，應(yīng)注意他與其他易被干擾的弱電電路之間的距離；

6. 模塊供電電容也應(yīng)盡量靠近模塊引腳；

7. 輸入控制信號(hào)Vin的RC都應(yīng)靠近模塊引腳，而非mcu，確保輸入到模塊內(nèi)部的信號(hào)是干凈的。

圖10：650 V ASPM27 PCB布局設(shè)計(jì)

結(jié)語(yǔ)

ASPM模塊是汽車電動(dòng)壓縮機(jī)、水泵等電機(jī)控制中理想的控制器件；但隨著汽車電池往更高的電壓發(fā)展（比如電池最高電壓達(dá)到900V以上），且效率要求越來(lái)越高，使用IGBT作為功率器件的ASPM面臨一定的局限性。相同耐壓規(guī)格的SiC器件本身耐壓遠(yuǎn)高于IGBT，且其開(kāi)關(guān)損耗遠(yuǎn)低于IGBT器件，可以適應(yīng)更高轉(zhuǎn)速，更高效率的要求。