压缩机是汽车空调的一部分，它通过将制冷剂压缩成高温高压的气体，再流经冷凝器，节流阀和蒸发器换热，实现车内外的冷热交换。传统燃油车以发动机为动力，通过皮带带动压缩机转动。而新能源汽车脱离了发动机，以电池为动力，通过逆变电路驱动无刷直流
图1：电动压缩机是电动汽车热管理的核心部件
电动压缩机需要满足不断增加的需求，包括低成本、更小尺寸、更少振动和噪声、更高功率级别和更高能效。这些需求离不开压缩机驱动电路的设计和优秀器件的选型。
电动压缩机控制器功能包括：驱动电机（逆变电路：包括ASPM模块或者分立器件搭载门极驱动，电压/电流/温度检测及保护，电源转换），与主机通讯（CAN或者LIN ,接收启停和转速信号，发送运行状态和故障信号）等，安森美(onsemi)在每个电路中都有相应的解决方案（图1）。上一章，我们探讨了安森美ASPM模块方案在电动压缩机上的应用，本文主要讨论SiC MOSFET 分立方案。
物理特性指标
4H-SiC
Si
禁带宽度（eV）
3.26
1.12
临界击穿电场（mv/cm）
3
0.3
热导率（W/cm*K）
4.9
1.5
饱和电子漂移速度（10^7cm/s）
2.5
1
理论最高耐受结温（℃）
600
175
表1：SiC 与Si 器件的物理特性对比
1. SiC MOSEFT材料的优势
· 10倍于si器件电介质击穿场强：更小的晶圆厚度和Rsp，更小的热阻
· 3倍以上的热导率：更小的热阻和更快的电子传输速度
· 2倍多的电子饱和速度：更快的开关速度
· 更好的热特性：更高的温度范围
2.更小损耗及更高效率
以安森美适用于800V平台电动压缩机应用的最新一代IGBT AFGHL40T120RWD 和SiC MOSEFT NVHL070N120M3S 为例，根据I/V曲线来评估开通损耗， 在电流小于18A时，SiC MOSEFT的导通压降都是小于IGBT的，而电动压缩机在路上行驶过程中，运行电流会一直处于18A区间以内。即使是在极限电流下运行（比如快充时，压缩机给电池散热），有效值接近20A，在电流的整个正弦波周期内，SiC MOSEFT的开通损耗也不比IGBT差。
Symbol
Test Condition
NVHL070N120M3S
AFGHL40T120RWD
Unit
td(ON)
Sic Mosfet:
VDS = 800 V, VGS = −3/18 V,
ID = 15 A, RG = 4.7ohm
IGBT:
VCE = 600 V, VGE = 0/15 V,
IC = 20 A, RG = 4.7ohm
10
50.1
ns
tr
24
293
ns
td(OFF)
29
30.9
ns
tf
9.6
189
ns
EON
254
1370
uJ
EOFF
46
1350
uJ
Etot
300
2720
uJ
表2： SiC 和IGBT 开关特性对比
我们使用相近电流规格的IGBT和SiC MOSEFT做了效率仿真，在最大功率下，SiC 也可以有效提高系统效率，尤其在高频应用中更加明显。
图5：不同Vgs下的I-V曲线
2. 低阈值电压Vth的问题
SiC MOSEFT（尤其是平面型）具有在2V-4V范围内的典型阈值电压Vth，并且随着温度的升高，Vth还会进一步降低。另一方面，在半桥应用电路中，由于SiC MOSEFT开关过程的dV/dt很高，通过另一个半桥SiC MOSEFT的Cgd产生的电流流过驱动电阻，在Vgs上产生一个电压，如果此电压高于Vth就会有误导通的风险，导致上下桥直通。因此在驱动上增加负电压是有必要的。从下图可以看出，增加负电压还可以有效降低关断损耗，使系统效率进一步提升。
使用安森美第三代的SiC MOSEFT，我们推荐使用+18V / -3V的电源驱动。
图7： Vth-温度特性曲线
3.有限的短路能力
SiC MOSEFT相对IGBT来说，Die尺寸很小，电流密度很高，发生短路时很难在极短时间内把短路产生的热量传导出去。另外，SiC MOSFET 在电流过大的情况下不会出现急剧饱和行为（与IGBT不同）。短路发生时电流很容易达到额定电流额定值的 10倍以上，与IGBT 运行相比要高得多。
因此，SiC MOSEFT的短路耐受时间相对较短，某些产品低于2us。快速检测和快速关断对于 SiC MOSEFT的可靠运行和长寿命至关重要。带有去饱和功能（desat）的驱动芯片可以应对这种情况。通过设置desat保护的响应时间低于1us，可以有效的应对电动压缩机运行过程中可能存在的短路情况。
SiC MOSEFT驱动芯片的选择
在电动压缩机应用中，需要应对下桥和三路上桥的电源需求，增加负电源并不容易。针对这种情况，推荐使用自身可产生负压，带有desat保护，欠电压保护UVLO以及过热保护功能的专用SiC MOSEFT驱动芯片 NCV51705。基本功能如下：
Source/ Sink 电流： 6A/6A
Desat保护
可调负压输出：-3.4V / -5V / -8V
可调欠压保护UVLO电压
5V参考电压输出（供电给其他器件，比如隔离芯片）
过热保护
应用电路推荐如下（下桥可以不用隔离）
图9：安森美(onsemi)部分1200V SiC产品（电动压缩机）
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结语
尽管SiC MOSFET在电动压缩机应用中存在一些挑战，但通过合理的设计和技术选择，可以有效地提高驱动频率、降低系统噪声并提高效率，最终有助于增加电动汽车的续航里程。