IGBT –电动汽车空调的一项要害技术
ROHM的RGS系列是切合AEC-Q101标准、且具有1200V 和650V宽耐压规模的IGBT产品 。该系列具有更低的传导损耗，有助于提高应用产品的效率并实现小型化，是电动压缩机的逆变器和高压加热器的更佳选择 。
1.前言
与使用内燃机的古板汽车相比，电动汽车的能效要高得多，但这也带来一个问题：来自电机的废热不再足以满足车内的取暖需求 。要想满足取暖需求，必须将电池中存储的部分电能转换为热能 。为了实现不依赖于事情温度或电池电压的可调加热功率，在新一代高压加热器中使用了功率半导体，来控制从电池到加热元件的能量流 。由加热元件加热冷媒，并通过热交换器将冷媒输送到车辆的空调系统中，最后由鼓风机将暖风输送到车内 。拜见原理图 。
图1. 电动汽车中高压加热器的事情模式
普通的电动汽车需要5kW~7kW的加热功率来满足取暖所需 。如果汽车的加热系统仅通过负载电阻（加热元件）进行加热，则该功率规模会相应地缩小 。可是，也有一些加热系统不但仅依靠电阻来发热，而是使用了热泵原理：通过外部提供能量的方法将热能从冷源（情况）通报到热源（车内） 。热泵的能量平衡性优于负载电阻加热的方法，并且对功率规模的影响较小 。然而，使用这种加热系统时，造车本钱会增加，并且其实用性取决于情况温度 。在冬季很是严寒的地区，这种系统无法爆发足够的热量，在这些地方，古板的电阻加热器是必不可少的 。
加热系统不但能够确保乘坐者的舒适性，还具有重要的宁静功效 。例如，为车窗除霜或进行车内除湿，从而使驾驶员可以清晰地看到外面的路况 。电池需要一定的事情温度，而加热器可以确保电池始终处于正常的事情温度规模内 。如果泛起高压峰值，加热器还可以充当放电电阻；如果汽车电气系统的电压异常升高，则该系统能够吸收异常能量，从而限制过电压的水平 。这些功效可以�；さ绯匾约坝肫档缙低诚嗔拥钠渌低� 。
简易的电阻加热器如图2所示 �？氐恼伎毡瓤傻�，能够使功率输出始终与设定值匹配 。几个（通常是两个或三个）加热支路并联，以更好地进行热量疏散 。为了在爆发故障时能够宁静地关断加热系统，需要配置宁静开关，并在正常运行期间确保宁静开关始终处于接通状态 。如果爆发故障，这些开关将关断，从而断开加热元件与车辆的高压电气系统的连接 。
图2. 具有两个加热元件的高压加热器的基本电路
ROHM的 RGS IGBT产品系列切合AEC-Q101标准
该案例中使用的断路器只有IGBT 。这种IGBT技术在大电流条件下具有很是好的传导特性 。虽然与MOSFET相比开关损耗较高，但基本可以忽略，因为开关频率通常在几十赫兹（两位数）至几千赫兹的规模之间 。别的，产品阵容中包括650V和1200V两种电压级，都是普通加热系统中常用的电压级 。表 1中列出了ROHM提供的切合AEC-Q101标准的分立封装RGS系列IGBT，很是适用于这类应用 。这些IGBT具有很是高的可靠性，能够满足加热器的典范要求，下面进一步进行详细介绍 。
表 1 ROHM IGBT RGS系列的产品阵容
大大都为400V电池设计的系统通常使用650V的IGBT 。然而，近年来，为了提高加热器的耐压能力，越来越倾向于使用1200V的解决计划 。如果从电池到加热器的电源突然中断，则汽车电气系统中的线路会爆发明显的过电压，甚至可能会损坏开关 。因此，可以利用功率半导体具有较高的击穿电压这一特性来避免加热器损坏 。1200V IGBT支持800V的电池系统，并且可以通过串联的方法来增加过压负载能力 。
该应用的另一个特点是开关速度（dVCE / dt，dIC / dt） �？厮俣热【鲇谙低� 。与其他大部分旨在实现高速开关频率的应用相反，在该应用案例中，开关速度通常被限制在较低水平 。究其原因，一方面是受制于EMC（电磁兼容性）的局限性，另一方面是由于不使用滤波器或尽可能地减少滤波器以节省本钱的设计思想 。一种简单的要领是降低IGBT在开关历程中的速度，以减少开关上升沿和下降沿的高次谐波身分 。虽然这种解决计划会导致IGBT在开关历程中的损耗增加，但并不需要为此增加任何元器件 �？梢酝ü档涂仄德世磁獬ピ黾拥乃鸷� �？厥奔湓诩肝⒚耄ǜ鑫皇┑墓婺Ｄ� 。在少少数情况下，可以抵达十几微秒（较小的两位数）的水平 。图3为栅极电阻在千欧规模内的IGBT导通历程示例 。由于是阻性负载，而不是常见的感性负载，因此电压曲线和电流曲线在开关历程中会交叉 。
图3. 具有阻性负载且RG = 1.1kΩ的IGBT（RGS80TSX2DHR）的导通历程
尽管这种处理IGBT的方法关于有经验的设计人员来说似乎不太常见，但也并不是完全不可行 。不过，也不要把开关时间降得太慢 。应制止IGBT在每次开关期间泛起过大的温度尖峰，以免损害功率循环能力 。另外，极慢的开关时间关于IGBT来说可能也保存危害，因为它在开关历程中会以较低的栅极电压事情 。凭据ROHM的经验，适当减缓开关速度并不会引发问题 。凭借从种种项目中获得并积累的名贵经验，ROHM能够为客户的评估提供有效的建议，以资助客户找到更好的解决计划 。
IGBT另有一个禁止忽视的特点，即短路耐受能力（确保在泛起故障时关断） 。通常，短路检测需要几微秒的时间才华做出反应 。ROHM RGS系列IGBT中，650V级产品的短路耐受时间为8μs，1200V级产品的短路耐受时间为10μs 。精彩的短路耐受能力有助于乐成地实施故障处理对策 。
选择功率半导体的另一原因是封装 。在该应用案例中，主要使用接纳通孔插装技术（THT）的元器件 。将它们连接到外部散热器，可以轻松地实现冷却 。可是，由于通孔插装技术需要特另外工序，因此在生产历程中保存其缺点 。而接纳外貌贴装技术（SMT）的元器件（例如常见的TO-263封装产品）可以直接与其他元器件焊接在一起，更具本钱优势 。尽管该技术必须通过PCB散热，对散热的要求更高，但这并不故障当今的一些制造商考虑使用该技术 。ROHM一直致力于相关研究，以便实时做出反应 。目前，正在开发接纳SMT技术的产品，不绝地扩充RGS系列IGBT的产品阵容 。图4为ROHM RGS系列IGBT接纳的差别封装规格 。
图4. RGS系列IGBT的封装阵容
虽然，除了IGBT，ROHM的产品群中另有其他许多产品也适用于高压加热器 。其中包括栅极驱动器IC、分流电阻、比较器、运算放大器和稳压器 。在IGBT领域，ROHM是能够提供切合AEC-Q101标准的全系列IGBT产品 。这些产品接纳TO-247封装，额定电流为30~50A，分是/否内置二极管两种 。别的，还计划在2020年在RGS系列中新增SMD产品：650V电压级、TO-263-3L封装、15~40A、是/否内置二极管的IGBT；产品阵容还将新增接纳TO-247封装、额定电流更大的产品，即650V电压级、将50A的额定电流提高到75A的产品 。富厚的产品阵容将使客户的选择规模更广，客户可以凭据加热器的事情条件从中选择更佳产品 。
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