近期，第九届中国整车热管理技术年会在上海召开，英飞凌大中华区汽车电子事业部市场专家张昌明分享了 「新能源汽车空调压缩机驱动器与功率器件设计选择」。
# 热管理面临的挑战-实现成本平衡
新能源车的热管理是一个热门话题，电池能量密度没有汽油高，对工作环境温度有要求，需要系统尽量优化。新能源车的热相关部件可分成三个部位，分别是电机与功率电子器件，动力电池，以及座舱，这些部件既有发热需求，又有制冷需求。
如果以每100公里需要24度电计算，大概将近20%的热量用在热耗散上。以每年跑16000公里预估，10年将近7680度电用在热消耗上，按欧洲电费计算25欧分每度电，换算下来浪费将近一万五到两万元人民币。因此，本文将从热系统管理在整个系统层面上去找到成本平衡为出发点，来思考系统方案设计以及未来策略的定义。
1.1 概述
在车里面我们把热管理做了一些归类，首先是一个冷源或者是热源的压缩器件，另外就是各种阀门的控制。很多专家讲过，三通、四通甚至五通的阀，把冷热进行交换，得到最终需要的温度。实际上从传统的车里面可以看到，在进行冷热交换的时候，它需要相应的控制逻辑与算法，执行机构是靠阀门来控制的，核心算法会涉及热管理架构问题。
1.2 热管理系统电气平台简述及所需关键零部件
把新能源车里的电气平台分为三个部分，第一个是高压400伏以上的，中间的是指燃油车做一些48伏的，12伏平台是所有车都需要配备的。这台车里面有什么功率器件或者动力器件需要从功率角度来考虑呢？首先是风扇，大概250-600瓦，小电机与阀门控制在200瓦。水循环路径长需要用到高压水泵，可能要用1000到2000的水泵去控制水路循环。
下图概括新能源车的功率部件需求，主逆变器从30千瓦可能上升到400千瓦。充电机从3.3千瓦到22千瓦，OBC功率提升已经有很明显的需求了，很多客户都在做11千瓦的，DC-DC没有太大变化。涉及到热管理的PTC加热器大概2-5千瓦，水泵1千瓦，油泵1千瓦。这些功率标称是给大家一个比较直观的概念。
热管理的关键功能需要由压缩机和PTC来实现。
2 新能源车空调压缩机控制器功率器件关键技术详解
2.1 热管理核心部件压缩机及PTC分析
整个电动车技术的发展趋势，从传统燃油车应用发动机的余热管理加上机械式空调压缩机到混动车型来看，这两年中国和欧洲对混动车型的看法不太一样，中国是偏向高压混动的，欧洲的很多车型是用48伏混动，所以需要不一样的电子压缩机。传统机械压缩机不会做智能管理，动力来自传统汽油发动机。对于纯电动车型，电子压缩机功能需求越来越高，PTC会进行辅助加热。如果用PTC 的话，在冬天会有较严重电池能量损耗，所以现在大家都在研究高效的压缩机，逐步降低PTC的功能，通过热泵空调来实现热量管理，从而满足整车的热管理需求。
从压缩机和PTC的结构上来看，电子压缩机其实就是一个三相逆变器，控制逻辑和算法一致，只是工作环境不一样，需要不同的算法来控制IGBT，开关频率约5-20kHz，为什么频率范围这么大？首先，二氧化碳需要的压强更大，传统压缩机4Mp左右压强，CO2热泵空调需要增加一倍甚至更高的压强，压缩机需要更高的转速控制来实现更大压强。其次，氢燃料电池里面的压缩机，这个需要更高速压缩机，把空气用很大压力吹到转换机里面去，这个压缩机驱动器需要用碳化硅这样的高速开关器件。PTC也会分两种，一种水冷式的，一种空气的，基本上都是用单个IGBT做控制，会有高边和低边两种架构。
2.2 MCU选型原则
今年，行业内很多人都在谈控制器移到ECU/VCU。前面提到的控制器件里面有一个MCU，它相当于是一个分离式的系统，每个部件的控制器会和ECU进行通讯。英飞凌AURIXTM或TraveoTM II系列MCU都能符合ISO26262 ASIL-C/D功能安全需求。现在大家讨论更多的是这种MCU集成式方案，用的MCU数量变少。以前MCU核数没有那么多，算力没有那么高的要求，发展到现在有4核、6核MCU。现在设计的紧凑性要求也越来越高，物理空间要求缩减时可以把一切可以压缩的尽量节省，可以把MCU做集成设计，升级到域控制器。传统的做法是一个主控的MCU域控制器，子系统功能集成。热管理系统可是一个单独的领域，PTC、E-compressor、水泵基本上属于一个控制体系。BMS和热管理系统有非常强的物理连接，热管理与BMS可以有一些混合型的域控制概念。这种方式会大量减少MCU数量，成本上会有比较大改善。
2.3 功率器件选型原则
前面讲的是电子电气上的控制架构，这里面有两大核心器件，一个MCU控制器，另一个就是功率器件执行部分。在执行部分，功率器件选择以开关频率和功率来判断。横轴是以开关频率来选择功率器件，纵轴是它能够支持的功率范围，四分之一圆的灰色部分是以传统硅器件所能达到的功率与频率适用范围，蓝色和紫色的部分是最新第三代半导体的SiC和GaN器件的适用区域，GaN适用非常高频场合，但是目前的技术没有办法做到功率超过10个千瓦。碳化硅适用范围就很广，功率也可以做到从10千瓦到10个兆瓦。OBC上三种器件都会有应用，E-compressor和PTC目前基本上会用碳化硅和硅的器件做控制。
从器件选型来看，基本特性是开关频率和功率来决定器件的选型。除此之外还有一个最重要因素就是器件的封装，这个会直接影响到产品的设计。功率器件电压等级可分成两部分，工作电压小于540伏和电压大于540伏。对于小于540V的母线电压提供650～750伏的功率器件，大都会用Si器件；对于电压大于540V的环境，Si和SiC都可以选择。Si IGBT用在低开关频率应用上会比较有优势，但是如果开关频率比较高的场合，SiC MOSFET表现会更好。
不管是从电压规格选择，还是从不同封装选择，最终都要回归到成本和效率。首先需要考虑多大功率需求、什么样的系统效率、其次就是系统设计方案，最后生产成本、系统效率和售后成本上，得到一个最优化的方案。
回归到器件本身特性来讲，在辅助驱动里面英飞凌目前可以提供三代IGBT方案，第一代是600V IGBT3技术，目前市面上用的很多方案都是600伏的器件，第二种650V TRENCHSTOP5 IGBT，第三种是最新的750V EDT2芯片。晶圆从6 inch升级到8 inch，成本和性能都大幅优化。还有就是芯片耐压值的提升，通过系统优化和最大化利用功率器件可以承受的耐压值，电流不变的情况下可以提供功率，功率密度提升会给系统带来非常大的成本优化。
前面讲的是硅的器件发展，接下来看看碳化硅，英飞凌的碳化硅器件开发与应用已经有超过25年的历史，目前碳化硅将有不同规格的产品推出。从原材料到系统，一般从四个层面考虑碳化硅产业链。首先是基片材料，英飞凌车规级碳化硅基片目前已经认证了三家供应商。其次是芯片技术，市场上有两种工艺，分别是平面工艺和沟槽工艺，英飞凌采用的是非对称式沟槽工艺，希望可以兼容Si IGBT的驱动设计理念让SiC的使用与IGBT一样简单可靠。第三是将芯片封装成不同的器件，有分立与模块等。最后是考虑系统设计与优化。
英飞凌的第一代和第二代的碳化硅器件的最新成果呢? 目前我们把第一代碳化硅TO247-3器件的开通损耗作为一个对标，目前在市场上同规格的产品英飞凌的器件损耗是最低的，使用TO247-4封装的碳化硅损耗可以再次优化35%，这将对系统的效率提升25-30%。在不影响品质的情况下增大芯片的安全工作区。SiC MOSFET的Vgth等相关参数特性使得应用中需要尤其注意，避开风险。
碳化硅器件可以显著的提升系统效率。在选用功率器件时，哪些参数是我们首要考虑的。首先，要根据开关频率来决定功率器件类型，以及技术选择，Si IGBT还是SiC MOSFET，这些都会影响系统设计。其次，功率器件耐压值600伏、650伏等依据系统工作电压与应力要求来确定。第三，根据系统功率要求来确定电流等级。这些是比较基本的参数选择，这里列举了一些关键参数，比较开关损耗、结至壳的热阻等都会影响功率器件选型。这几年和一些业内客户交流，因为热管理方面的经验不足，他们尽量选用的规格很大，以保证系统有充足的裕量设计。这样会带来一个问题，成本不会有太多的优化空间。系统成本应该是选择最合适的器件来满足系统要求，从而带来更好的成本优化。
在功率系统中，除了功率器件外，系统级的支持必不可少。 英飞凌可以提供完整的解决方案，包括感知、控制、执行与电源管理与通信器件。
最后，希望通过技术创新及产业协作，达成「零排放」的美好未来。
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