前言

 

與使用內燃機的傳統汽車相比，電動汽車的能效要高得多，但這也帶來一個問題：來(lai)自(zi)電(dian)機(ji)的(de)廢(fei)熱(re)不(bu)再(zai)足(zu)以(yi)滿(man)足(zu)車(che)內(nei)的(de)取(qu)暖(nuan)需(xu)求(qiu)。要(yao)想(xiang)滿(man)足(zu)取(qu)暖(nuan)需(xu)求(qiu)
，必(bi)須(xu)將(jiang)電(dian)池(chi)中(zhong)存(cun)儲(chu)的(de)部(bu)分(fen)電(dian)能(neng)轉(zhuan)換(huan)為(wei)熱(re)能(neng)。為(wei)了(le)實(shi)現(xian)不(bu)依(yi)賴(lai)於(yu)工(gong)作(zuo)溫(wen)度(du)或(huo)電(dian)池(chi)電(dian)壓(ya)的(de)可(ke)調(tiao)加(jia)熱(re)功(gong)率(lv)

，在(zai)新(xin)一(yi)代(dai)高(gao)壓(ya)加(jia)熱(re)器(qi)中(zhong)使(shi)用(yong)了(le)功(gong)率(lv)半(ban)導(dao)體(ti)，來(lai)控(kong)製(zhi)從(cong)電(dian)池(chi)到(dao)加(jia)熱(re)元(yuan)件(jian)的(de)能(neng)量(liang)流(liu)。由(you)加(jia)熱(re)元(yuan)件(jian)加(jia)熱(re)冷(leng)媒(mei)，並(bing)通(tong)過(guo)熱(re)交(jiao)換(huan)器(qi)將(jiang)冷(leng)媒(mei)輸(shu)送(song)到(dao)車(che)輛(liang)的(de)空(kong)調(tiao)係(xi)統(tong)中(zhong)，最(zui)後(hou)由(you)鼓(gu)風(feng)機(ji)將(jiang)暖(nuan)風(feng)輸(shu)送(song)到(dao)車(che)內(nei)。參(can)見(jian)圖(tu)1原理圖。

 

圖1.  電動汽車中高壓加熱器的工作模式

 

普通的電動汽車需要5kW~7kW的加熱功率來滿足取暖所需。如果汽車的加熱係統僅通過負載電阻（加熱元件）進行加熱，則該功率範圍會相應地縮小。但是
，也有一些加熱係統不僅僅依靠電阻來發熱
，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（環境）傳遞到熱源（車內）。熱re泵beng的de能neng量liang平ping衡heng性xing優you於yu負fu載zai電dian阻zu加jia熱re的de方fang式shi

，並bing且qie對dui功gong率lv範fan圍wei的de影ying響xiang較jiao小xiao。然ran而er
，使shi用yong這zhe種zhong加jia熱re係xi統tong時shi，造zao車che成cheng本ben會hui增zeng加jia，並bing且qie其qi實shi用yong性xing取qu決jue於yu環huan境jing溫wen度du。在zai冬dong季ji非fei常chang寒han冷leng的de地di區qu，這zhe種zhong係xi統tong無wu法fa產chan生sheng足zu夠gou的de熱re量liang，在zai這zhe些xie地di方fang，傳chuan統tong的de電dian阻zu加jia熱re器qi是shi必bi不bu可ke少shao的de。

 

jiarexitongbujinnenggouquebaochengzuozhedeshushixing，haijuyouzhongyaodeanquangongneng。liru，weichechuangchushuanghuojinxingcheneichushi
，congershijiashiyuankeyiqingxidikandaowaimiandelukuang。dianchixuyaoyidingdegongzuowendu
，erjiareqikeyiquebaodianchishizhongchuyuzhengchangdegongzuowendufanweinei。ruguochuxiangaoyafengzhi，jiareqihaikeyichongdangfangdiandianzu；ruguoqichedianqixitongdedianyayichangshenggao，zegaixitongnenggouxishouyichangnengliang
，congerxianzhiguodianyadechengdu。zhexiegongnengkeyibaohudianchiyijiyuqichedianqixitongxianglianjiedeqitaxitong。

 

簡易的電阻加熱器如圖2所示。開關的占空比可調
，能夠使功率輸出始終與設定值匹配。幾個（通常是兩個或三個）加jia熱re支zhi路lu並bing聯lian，以yi更geng好hao地di進jin行xing熱re量liang分fen散san。為wei了le在zai發fa生sheng故gu障zhang時shi能neng夠gou安an全quan地di關guan斷duan加jia熱re係xi統tong，需xu要yao配pei置zhi安an全quan開kai關guan，並bing在zai正zheng常chang運yun行xing期qi間jian確que保bao安an全quan開kai關guan始shi終zhong處chu於yu接jie通tong狀zhuang態tai。如ru果guo發fa生sheng故gu障zhang
，這zhe些xie開kai關guan將jiang關guan斷duan，從cong而er斷duan開kai加jia熱re元yuan件jian與yu車che輛liang的de高gao壓ya電dian氣qi係xi統tong的de連lian接jie。

 

圖2.  具有兩個加熱元件的高壓加熱器的基本電路

 

ROHM的 RGS IGBT產品係列符合AEC-Q101標準

 

該案例中使用的斷路器隻有IGBT。這種IGBT技術在大電流條件下具有非常好的傳導特性。雖然與MOSFET相比開關損耗較高，但基本可以忽略，因為開關頻率通常在幾十赫茲（兩位數）至幾千赫茲的範圍之間。此外，產品陣容中包括650V和1200V兩種電壓級
，都是普通加熱係統中常用的電壓級。表1中列出了ROHM提供的符合AEC-Q101標準的分立封裝RGS係列IGBT
，非常適用於這類應用。這些IGBT具有非常高的可靠性，能夠滿足加熱器的典型要求
，下麵進一步進行詳細介紹。

 

表 1  ROHM IGBT RGS係列的產品陣容

 

大多數為400V電池設計的係統通常使用650V的IGBT。然而
，近年來

，為了提高加熱器的耐壓能力，越來越傾向於使用1200V的(de)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)。如(ru)果(guo)從(cong)電(dian)池(chi)到(dao)加(jia)熱(re)器(qi)的(de)電(dian)源(yuan)突(tu)然(ran)中(zhong)斷(duan)
，則(ze)汽(qi)車(che)電(dian)氣(qi)係(xi)統(tong)中(zhong)的(de)線(xian)路(lu)會(hui)產(chan)生(sheng)明(ming)顯(xian)的(de)過(guo)電(dian)壓(ya)
，甚(shen)至(zhi)可(ke)能(neng)會(hui)損(sun)壞(huai)開(kai)關(guan)。因(yin)此(ci)
，可(ke)以(yi)利(li)用(yong)功(gong)率(lv)半(ban)導(dao)體(ti)具(ju)有(you)較(jiao)高(gao)的(de)擊(ji)穿(chuan)電(dian)壓(ya)這(zhe)一(yi)特(te)性(xing)來(lai)防(fang)止(zhi)加(jia)熱(re)器(qi)損(sun)壞(huai)。1200V IGBT支持800V的電池係統，並且可以通過串聯的方式來增加過壓負載能力。

 

該應用的另一個特點是開關速度（dVCE / dt，dIC / dt）。開(kai)關(guan)速(su)度(du)取(qu)決(jue)於(yu)係(xi)統(tong)。與(yu)其(qi)他(ta)大(da)部(bu)分(fen)旨(zhi)在(zai)實(shi)現(xian)高(gao)速(su)開(kai)關(guan)頻(pin)率(lv)的(de)應(ying)用(yong)相(xiang)反(fan)，在(zai)該(gai)應(ying)用(yong)案(an)例(li)中(zhong)，開(kai)關(guan)速(su)度(du)通(tong)常(chang)被(bei)限(xian)製(zhi)在(zai)較(jiao)低(di)水(shui)平(ping)。究(jiu)其(qi)原(yuan)因(yin)，一(yi)方(fang)麵(mian)是(shi)受(shou)製(zhi)於(yu)EMC（電磁兼容性）的局限性，另一方麵是由於不使用濾波器或盡可能地減少濾波器以節省成本的設計思想。一種簡單的方法是降低IGBT在開關過程中的速度
，以減少開關上升沿和下降沿的高次諧波成分。雖然這種解決方案會導致IGBT在開關過程中的損耗增加
，但並不需要為此增加任何元器件。可以通過降低開關頻率來補償增加的損耗。開關時間在幾微秒（個位數）的範圍內。在極少數情況下，可以達到十幾微秒（較小的兩位數）的程度。圖3為柵極電阻在千歐範圍內的IGBT導通過程示例。由於是阻性負載
，而不是常見的感性負載，因此電壓曲線和電流曲線在開關過程中會交叉。

 

圖3.  具有阻性負載且RG = 1.1kΩ的IGBT（RGS80TSX2DHR）的導通過程

 

盡管這種處理IGBT的方式對於有經驗的設計人員來說似乎不太常見
，但也並不是完全不可行。不過，也不要把開關時間降得太慢。應避免IGBT在每次開關期間出現過大的溫度尖峰
，以免損害功率循環能力。另外，極慢的開關時間對於IGBT來說可能也存在風險，因為它在開關過程中會以較低的柵極電壓工作。根據ROHM的經驗，適當減緩開關速度並不會引發問題。憑借從各種項目中獲得並積累的寶貴經驗
，ROHM能夠為客戶的評估提供有效的建議
，以幫助客戶找到更好的解決方案。

 

IGBT還有一個不容忽視的特點
，即短路耐受能力（確保在出現故障時關斷）。通常
，短路檢測需要幾微秒的時間才能做出反應。ROHM RGS係列IGBT中
，650V級產品的短路耐受時間為8μs，1200V級產品的短路耐受時間為10μs。出色的短路耐受能力有助於成功地實施故障處理對策。

 

選擇功率半導體的另一原因是封裝。在該應用案例中，主要使用采用通孔插裝技術（THT）的de元yuan器qi件jian。將jiang它ta們men連lian接jie到dao外wai部bu散san熱re器qi，可ke以yi輕qing鬆song地di實shi現xian冷leng卻que。但dan是shi，由you於yu通tong孔kong插cha裝zhuang技ji術shu需xu要yao額e外wai的de工gong序xu
，因yin此ci在zai生sheng產chan過guo程cheng中zhong存cun在zai其qi缺que點dian。而er采cai用yong表biao麵mian貼tie裝zhuang技ji術shu（SMT）的元器件（例如常見的TO-263封裝產品）可以直接與其他元器件焊接在一起
，更具成本優勢。盡管該技術必須通過PCB散熱
，對散熱的要求更高，但這並不妨礙當今的一些製造商考慮使用該技術。ROHM一直致力於相關研究

，以便及時做出反應。目前，正在開發采用SMT技術的產品
，不斷地擴充RGS係列IGBT的產品陣容。圖4為ROHM RGS係列IGBT采用的不同封裝規格。

 

圖4.  RGS係列IGBT的封裝陣容

 

當然，除了IGBT，ROHM的產品群中還有其他很多產品也適用於高壓加熱器。其中包括柵極驅動器IC

、分流電阻、比較器
、運算放大器和穩壓器。在IGBT領域，ROHM是能夠提供符合AEC-Q101標準的全係列IGBT產品。這些產品采用TO-247封裝
，額定電流為30~50A，分是/否內置二極管兩種。此外
，還計劃在2020年在RGS係列中新增SMD產品：650V電壓級、TO-263-3L封裝

、15~40A

、是/否內置二極管的IGBT
；產品陣容還將新增采用TO-247封裝、額定電流更大的產品，即650V電壓級、將50A的額定電流提高到75A的產品。豐富的產品陣容將使客戶的選擇範圍更廣，客戶可以根據加熱器的工作條件從中選擇更佳產品。

 

 

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