【導讀】壓縮機是汽車空調的一部分，它通過將製冷劑壓縮成高溫高壓的氣體
，再流經冷凝器
，節流閥和蒸發器換熱，實現車內外的冷熱交換。chuantongranyoucheyifadongjiweidongli
，tongguopidaidaidongyasuojizhuandong。erxinnengyuanqichetuolilefadongji
，yidianchiweidongli
，tongguonibiandianluqudongwushuazhiliudianji，congerdaidongyasuojizhuandong，shixiankongtiaodelengrejiaohuangongneng。

壓(ya)縮(suo)機(ji)是(shi)汽(qi)車(che)空(kong)調(tiao)的(de)一(yi)部(bu)分(fen)，它(ta)通(tong)過(guo)將(jiang)製(zhi)冷(leng)劑(ji)壓(ya)縮(suo)成(cheng)高(gao)溫(wen)高(gao)壓(ya)的(de)氣(qi)體(ti)，再(zai)流(liu)經(jing)冷(leng)凝(ning)器(qi)，節(jie)流(liu)閥(fa)和(he)蒸(zheng)發(fa)器(qi)換(huan)熱(re)，實(shi)現(xian)車(che)內(nei)外(wai)的(de)冷(leng)熱(re)交(jiao)換(huan)。傳(chuan)統(tong)燃(ran)油(you)車(che)以(yi)發(fa)動(dong)機(ji)為(wei)動(dong)力(li)，通(tong)過(guo)皮(pi)帶(dai)帶(dai)動(dong)壓(ya)縮(suo)機(ji)轉(zhuan)動(dong)。而(er)新(xin)能(neng)源(yuan)汽(qi)車(che)脫(tuo)離(li)了(le)發(fa)動(dong)機(ji)，以(yi)電(dian)池(chi)為(wei)動(dong)力(li)
，通(tong)過(guo)逆(ni)變(bian)電(dian)路(lu)驅(qu)動(dong)無(wu)刷(shua)直(zhi)流(liu)電(dian)機(ji)，從(cong)而(er)帶(dai)動(dong)壓(ya)縮(suo)機(ji)轉(zhuan)動(dong)，實(shi)現(xian)空(kong)調(tiao)的(de)冷(leng)熱(re)交(jiao)換(huan)功(gong)能(neng)。

電動壓縮機是電動汽車熱管理的核心部件，除了可以提高車廂內的環境舒適度（製冷，製熱）以外，對電驅動係統的溫度控製發揮著重要作用，對電池的使用壽命、充電速度和續航裏程都至關重要。

圖1：電動壓縮機是電動汽車熱管理的核心部件

電動壓縮機需要滿足不斷增加的需求，包括低成本、更小尺寸
、更少振動和噪聲、更高功率級別和更高能效。這些需求離不開壓縮機驅動電路的設計和優秀器件的選型。

電動壓縮機控製器功能包括：驅動電機（逆變電路：包括ASPM模塊或者分立器件搭載門極驅動，電壓/電流/溫度檢測及保護
，電源轉換），與主機通訊（CAN或者LIN ,接收啟停和轉速信號
，發送運行狀態和故障信號）等，安森美(onsemi)在每個電路中都有相應的解決方案（圖1）。本文重點探討逆變電路ASPM模塊方案。

圖2：電動壓縮機驅動電路控製框圖

ASPM 汽車級智能功率模塊      

汽車級智能功率模塊（Automotive Smart Power Module
，ASPM）是一種集成了功率半導體器件、驅動電路和控製電路的模塊化解決方案

，旨在提供高效、可靠、緊湊的電力轉換和控製。

圖3：安森美(onsemi)的ASPM27(左)和ASPM34(右)

ASPM汽車級智能功率模塊的優勢

ASPM模塊功率芯片和 IC xinpianbeizhijiehanjiedaotongzhideyinjiaokuangjiashang
，jiezheyongtaocifugaiyinjiaokuangjia
，zuihoufangdaohuanyangshuzhizhongjiaozhuchengxing。xiangbifenlifanganlaishuodadajianxiaolejishengdiangan，jianshaolezhengtishejideqijiandeshulianghePCB 板所需的麵積
，提供高絕緣耐壓並能維持良好散熱性能。

圖4：ASPM內部結構

1.成本

在成本上如果單獨比較ASPM模塊和分立器件的器件成本，模塊的成本會更高。但從整個係統成本來說，考慮到PCB、機械安裝
、質量和性能成本，係統功率越高，使用ASPM模塊會更有優勢。

2.熱性能

圖5：ASPM的熱性能優勢

在zai電dian動dong壓ya縮suo機ji的de設she計ji中zhong，散san熱re特te性xing是shi一yi個ge關guan鍵jian因yin素su
，它ta直zhi接jie影ying響xiang到dao模mo塊kuai的de電dian流liu承cheng載zai能neng力li。因yin此ci，封feng裝zhuang的de散san熱re特te性xing在zai決jue定ding其qi性xing能neng表biao現xian時shi至zhi關guan重zhong要yao。在zai散san熱re特te性xing、封feng裝zhuang尺chi寸cun以yi及ji隔ge離li特te性xing之zhi間jian存cun在zai著zhe權quan衡heng關guan係xi。優you秀xiu的de封feng裝zhuang技ji術shu的de關guan鍵jian在zai於yu，優you化hua封feng裝zhuang尺chi寸cun，同tong時shi保bao持chi卓zhuo越yue的de散san熱re性xing能neng，而er不bu犧xi牲sheng隔ge離li等deng級ji。

以650V ASPM27係列為例
，這些模塊采用了DBC（覆銅板）基板技術，帶來了良好的散熱性能。功率芯片直接貼裝在DBC基(ji)板(ban)上(shang)，使(shi)得(de)熱(re)量(liang)能(neng)夠(gou)更(geng)有(you)效(xiao)地(di)從(cong)芯(xin)片(pian)傳(chuan)導(dao)至(zhi)外(wai)部(bu)，從(cong)而(er)提(ti)高(gao)了(le)散(san)熱(re)效(xiao)率(lv)和(he)可(ke)靠(kao)性(xing)
，這(zhe)對(dui)於(yu)維(wei)持(chi)功(gong)率(lv)模(mo)塊(kuai)在(zai)大(da)電(dian)流(liu)工(gong)作(zuo)下(xia)的(de)長(chang)期(qi)穩(wen)定(ding)性(xing)和(he)延(yan)長(chang)使(shi)用(yong)壽(shou)命(ming)至(zhi)關(guan)重(zhong)要(yao)。

因為溫度直接影響產品的性能
、可靠性和壽命，所以大多數設計者都希望精確了解功率芯片的溫度。然而，由於封裝內部的功率芯片（如IGBT、FRD）是shi在zai高gao壓ya條tiao件jian下xia工gong作zuo的de
，直zhi接jie測ce量liang其qi溫wen度du變bian得de較jiao為wei困kun難nan。過guo去qu，由you於yu成cheng本ben和he技ji術shu原yuan因yin，設she計ji者zhe往wang往wang不bu是shi直zhi接jie測ce量liang功gong率lv芯xin片pian的de溫wen度du，而er是shi采cai用yong外wai置zhi的deNTC熱敏電阻去檢測模塊或散熱器的溫度，這種方法雖然簡單，但並不能準確反映功率組件本身的溫度情況。而在1200V ASPM34係列中，設計上的一大創新點就是將NTC熱re敏min電dian阻zu與yu功gong率lv芯xin片pian集ji成cheng在zai同tong一yi陶tao瓷ci基ji板ban上shang，實shi現xian在zai模mo塊kuai內nei部bu進jin行xing溫wen度du采cai樣yang。這zhe樣yang一yi來lai，就jiu能neng夠gou更geng加jia準zhun確que地di反fan映ying出chu功gong率lv芯xin片pian的de實shi際ji溫wen度du狀zhuang況kuang，讓rang開kai發fa人ren員yuan清qing楚chu的de知zhi道dao模mo塊kuai內nei部bu溫wen度du裕yu量liang，並bing在zai係xi統tong控kong製zhi中zhong做zuo相xiang應ying的de措cuo施shi
，比bi如ru在zai低di轉zhuan速su時shi，係xi統tong散san熱re不bu好hao導dao致zhi模mo塊kuai溫wen度du過guo高gao，可ke以yi適shi當dang提ti高gao頻pin率lv
，加jia強qiang散san熱re；或者在高頻大功率時適當降低頻率或者做過溫停機保護。安森美的ASPM模塊的開關頻率設計高達20kHz以上（ASPM27-V3可達40kHz,FS4的IGBT開關速度更快,開關損耗更低），可以輕鬆應對現有電動壓縮機15000轉/分鍾以下的轉速采樣要求。

圖6：ASPM27內部電路框圖

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，無需考慮分立器件間的電氣安全距離
；引腳與散熱麵間高達2500V的絕緣，無需像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方案對比分立IGBT方案的功率密度

4.可靠性

ASPM模塊集成了優化的保護電路和與IGBT 開(kai)關(guan)特(te)征(zheng)相(xiang)匹(pi)配(pei)的(de)驅(qu)動(dong)，可(ke)以(yi)為(wei)開(kai)發(fa)者(zhe)極(ji)大(da)的(de)縮(suo)短(duan)電(dian)路(lu)匹(pi)配(pei)和(he)開(kai)發(fa)時(shi)間(jian)。通(tong)過(guo)集(ji)成(cheng)欠(qian)壓(ya)保(bao)護(hu)功(gong)能(neng)和(he)短(duan)路(lu)保(bao)護(hu)功(gong)能(neng)，係(xi)統(tong)可(ke)靠(kao)性(xing)得(de)到(dao)了(le)很(hen)大(da)程(cheng)度(du)的(de)提(ti)高(gao)。內(nei)置(zhi)高(gao)速(su) HVIC 具備抵抗dv/dt 和負壓的能力，提供了一種無需光耦隔離的 IGBT 驅動能力。集成的 HVIC 允許使用無需負電源的單電源驅動的拓撲。

圖8：HVIC具備抵抗dv/dt和負壓能力

要實現更高的可靠性，可以盡量減小不同材料間CTE的mismatch。安森美的ASPM模塊通過AEC-Q和AQG324認證，分立器件是按照AECQ100/101進行認證的。我們也可以考慮根據客戶特定的要求進行一些特殊的可靠性測試。

趨勢和挑戰

為高壓環境下的電動壓縮機選擇功率器件時需要考慮到裕量的概念
，以確保有足夠的安全餘地應對各種條件下的電壓波動和瞬態事件。

裕量通常是基於以下幾種考慮：

1.穩態電壓裕量：在正常工作狀態下，考慮到電壓波動、負載變化等因素，設計時通常會讓實際工作電壓低於功率器件標稱耐壓值
，比如如果電池係統最高電壓為400V
，則650V耐壓的器件提供了250V的電壓裕量。

2.瞬態電壓裕量：在開關操作或電網異常等情況下，可能會出現瞬間的電壓尖峰
，此時裕量用來保證在這些短暫但強烈的電壓衝擊下，器件不會被擊穿。

3.可靠性裕量：長期運行過程中，功率器件的耐壓性能可能會因為溫度、老化等因素逐漸下降，因此提供足夠的電壓裕量有助於延長器件壽命，提升整個係統的可靠性。

650V耐nai壓ya的de功gong率lv器qi件jian在zai應ying用yong於yu峰feng值zhi電dian壓ya接jie近jin其qi額e定ding值zhi的de係xi統tong時shi，設she計ji者zhe需xu要yao仔zai細xi評ping估gu電dian壓ya裕yu量liang是shi否fou足zu夠gou，確que保bao在zai所suo有you預yu期qi的de操cao作zuo條tiao件jian下xia，功gong率lv器qi件jian都dou能neng安an全quan穩wen定ding地di工gong作zuo。隨sui著zhe電dian動dong汽qi車che技ji術shu的de發fa展zhan

，電dian池chi電dian壓ya平ping台tai不bu斷duan上shang升sheng，有you些xie車che企qi的de400V平台的峰值電壓達到了500V以上，當原有的650V ASPM模塊在新的應用場合下裕量不足時
，就會推動市場和技術向更高耐壓等級如750V的ASPM模塊發展。

在800V平台，由於乘用車壓縮機尺寸比較小
，選用1200V 模塊時PCB設計難度相對較大
，因為小型化的壓縮機內部空間有限，設計高電壓等級的PCB布bu局ju時shi需xu要yao確que保bao關guan鍵jian元yuan器qi件jian之zhi間jian有you足zu夠gou的de電dian氣qi安an全quan距ju離li
，這zhe對dui於yu高gao密mi度du封feng裝zhuang的de功gong率lv模mo塊kuai來lai說shuo是shi一yi項xiang挑tiao戰zhan。模mo塊kuai在zai高gao電dian壓ya下xia工gong作zuo時shi產chan生sheng的de損sun耗hao更geng大da
，需xu要yao高gao效xiao的de散san熱re方fang案an，而er小xiao型xing化hua設she計ji可ke能neng限xian製zhi了le散san熱re麵mian積ji和he散san熱re路lu徑jing的de設she計ji，增zeng加jia了le熱re管guan理li設she計ji的de複fu雜za度du。高gao電dian壓ya等deng級ji意yi味wei著zhe更geng高gao的de電dian磁ci幹gan擾rao風feng險xian
，需xu要yao更geng加jia細xi致zhi的dePCB走線設計和屏蔽措施，以符合相關電磁兼容標準。還需確保在高電壓水平下
，PCB的絕緣性能達標，防止爬電、擊穿等問題的發生。高電壓和大電流傳輸所需的線路寬度、間距以及層數都可能增加，同時也需要考慮降低寄生參數的影響，如電感和電阻
，以優化開關性能和減少損耗。針對這些挑戰和需求，安森美即將推出下一代更小尺寸的1200V模塊，內部集成最新的FS7 IGBT，解決上述挑戰，實現更優化的性能，麵積縮小了36%，並且還提高了絕緣耐壓特性，為電動壓縮機控製器的設計帶來更多提升。

電路設計和PCB布局Tips

圖9：650V ASPM27係列應用電路圖

圖示的器件參數請參考650V ASPM27汽車智能功率模塊係列應用手冊。

對於PCB layout的設計建議：

1.設計時建議功率地和數字地單點接地，接地線盡量短且不能太寬
；

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

3.Csc保護RC的走線應該盡量的短
，且濾波電容的地最好接到控製地而非功率地；

4.PN兩端的吸收電容放在距離模塊越近，對IGBT產生的Vce尖峰吸收效果越好；

5.自舉電容和穩壓管放置在距離模塊引腳最近的地方，每一路之間應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幹擾源，應注意他與其他易被幹擾的弱電電路之間的距離；

6.模塊供電電容也應盡量靠近模塊引腳；

7.輸入控製信號Vin的RC都應靠近模塊引腳，而非mcu，確保輸入到模塊內部的信號是幹淨的。

圖10：650 V ASPM27 PCB布局設計

結語

ASPM模塊是汽車電動壓縮機、水泵等電機控製中理想的控製器件
；但隨著汽車電池往更高的電壓發展（比如電池最高電壓達到900V以上），且效率要求越來越高
，使用IGBT作為功率器件的ASPM麵臨一定的局限性。相同耐壓規格的SiC器件本身耐壓遠高於IGBT，且其開關損耗遠低於IGBT器件
，可以適應更高轉速
，更高效率的要求。

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