致瞻科技創(chuàng)始人史經奎和浙江大學團隊發(fā)表了題為《SiC MOSFET：800V電動汽車空調壓縮機的必然趨勢》的論文。該團隊旗幟鮮明地指出，與硅基IGBT相比，SiC MOSFET是800V電動汽車電動壓縮機的首選。

為了向汽車用戶展示800V電動汽車空調電動壓縮機采用SiC MOSFET的好處，該團隊采用保時捷Taycan Turbo S進行詳細的系統(tǒng)評估。

結果顯示，空調電動壓縮機采用SiC MOSFET后，夏季和冬季的行駛里程分別可增加7.35公里和9公里，也就是說，汽車制造商在保持相同行駛里程的情況下，在夏季和冬季可以節(jié)省1095 Wh和1353 Wh的電池容量，這將使得消費者的購車成本大大降低。

EV法規(guī)趨嚴，空調壓縮機亟需采用SiC MOS

汽車主機廠和汽車零部件廠商在開發(fā)部件產品時通常首先考慮的就是成本問題，而SiC MOSFET現在之所以能夠成功應用于很多行業(yè)，其驅動力是廣義上的成本，即采用SiC MOSFET器件所帶來的系統(tǒng)級經濟效益，超過了SiC MOSFET器件本身所增加的采購成本，例如：

電動汽車動力總成逆變器采用SiC MOSFET 器件，可以為汽車 OEM 節(jié)省電池成本；

光伏領域，SiC MOSFET器件在輕載下的高效率使得發(fā)電成本更低；

電動汽車車載充電器或?DC/DC 轉換器采用SiC MOSFET可以減小整體尺寸和重量，同時節(jié)省電容器、電感器等無源儲能器件的成本；

燃料電池空氣壓縮機采用SiC MOSFET器件能夠實現超高轉速，進而可以提高壓縮機效率并減小尺寸和冷卻要求，從而實現系統(tǒng)級成本的降低。

不用于上述OBC、DC/DC 轉換器、動力總成逆變器等應用領域，電動汽車空調壓縮機目前很少有SiC MOSFET 方案，主要是因為空調壓縮機廠商對成本控制要求極高，因此，處于成本考慮，很多從業(yè)者的第一反應是將SiC MOSFET器件排除在選擇范圍之外。

但是與傳統(tǒng)燃油汽車不同，電動汽車空調系統(tǒng)不僅承擔著座艙熱管理，還承擔著電池系統(tǒng)熱管理甚至電機控制熱管理，對加熱和冷卻功率的高需求導致續(xù)航里程大幅縮短，而作為空調系統(tǒng)心臟的電動壓縮機，電動壓縮機中扮演著最關鍵的角色。

現階段電動汽車的空調系統(tǒng)能耗非常高，僅次于車輛的行車能耗，尤其是在夏季和冬季，由于空調和供暖系統(tǒng)能耗高，電動汽車的行駛里程減少。

德國IAV的研究發(fā)現，在中型電動汽車（WLTP工況）中，空調系統(tǒng)的能耗在夏季和冬季分別可占到整車能耗的21%和38%，

為此，中國新實施的CLTC規(guī)范預計會對電動汽車的空調系統(tǒng)能耗提出更高的要求，根據下圖，在CLTC條件下，郊區(qū)道路的相同行駛距離的平均速度較低，行駛時間較長，這導致空調使用時間更長，壓縮機能耗更高，并影響電動汽車在高低溫環(huán)境（-7°C-35°C）下的行駛里程。為此，中國汽車消費者研究測試中心?(CCRT) 規(guī)定將這些溫度范圍納入電動汽車測試。

目前，主流電動汽車常用的PTC加熱系統(tǒng)能效更低，導致電動汽車的行駛里程在冬季急劇下降。雖然特斯拉Model Y改用基于電動壓縮機的熱泵技術來提高加熱效率，但該車型的冬季續(xù)航也就不是很理想。

汽車的熱管理系統(tǒng)亟需要采用基于SiC MOSFET的電動壓縮機，為了讓汽車主機廠和汽車零部件廠商更了解SiC MOSFET在提升汽車熱管理性能和降低系統(tǒng)成本方面的優(yōu)勢，該團隊從系統(tǒng)層面對SiC MOSFET 優(yōu)勢進行全面、理性的評估。

空調壓縮機結構，IGBT是現階段主流

在汽車空調系統(tǒng)中，電動壓縮機的作用是從低壓側吸入并壓縮低溫低壓氣態(tài)制冷劑，使其溫度和壓力升高再被泵入高溫高壓氣態(tài)制冷劑的高壓側，如此往復循環(huán)，達到外界環(huán)境與車輛系統(tǒng)之間熱交換器的作用。

現階段，不同的電動汽車采用了不同的制冷/加熱方案，各有優(yōu)缺點，使用電動壓縮機進行電池和座艙熱管理的最大好處是在夏季和冬季都能實現高COP（能效比），從而使電動汽車的續(xù)航可提升，但缺點在于需要采用大功率的E壓縮機，因為它承擔了更多的夏季和冬季的熱管理需求。

與電動汽車三合一動力系統(tǒng)類似，電動空調壓縮機也是一個“小三合一”系統(tǒng)，包括逆變器、永磁同步電機（PMSM）和機械渦旋結構三大部件。

目前，市場上電動空調壓縮機的主流逆變器方案采用三相全橋拓撲結構，多采用TO-247封裝的IGBT分立器件或IGBT IPM模塊，來實現壓縮機在不同工況下的轉速控制。

由于行業(yè)慣性和目前的熱管理系統(tǒng)設計水平，硅基IGBT方案可能在初期占據主導地位，但隨著電動壓縮機供應商的設計開發(fā)能力不斷提升，SiC MOSFET逆變器方案將逐漸取代傳統(tǒng)的IGBT方案，成為800V電動空調壓縮機逆變器的最優(yōu)選擇。

采用SiC MOS好處1：提升壓縮機能效比

該團隊認為， 800V電動空調壓縮機逆變器 采用 SiC MOSFET ， 對壓縮機能效和工作能力方面有著顯著的提高。

第一個好處， SiC MOSFET 可以從 3個維度提高電動壓縮機的能源效率。

一方面， SiC MOSFET器件非常適合 電動壓縮機的輕載工況 。

800V汽車平臺能夠實現更短的充電時間，減少里程焦慮，提升用戶體驗， 但快充 /超充過程會導致電池快速升溫，需要大功率的800V電動空調壓縮機將其快速冷卻， 以確保充電安全高效， 在此場景下，空調壓縮機的峰值功率需設計在10 kW左右。

但是，電動壓縮機大多工作在不需要電池冷卻的輕載工況，春秋季節(jié)功耗一般在 300W –1000W，夏冬季節(jié)功耗一般在1000W –2500W，這正好符合了SiC MOSFET器件的優(yōu)勢。

SiC MOSFET 單極導通特性具有低導通損耗，由于其體二極管特性具有高開關速度和低反向恢復損耗，因此開關損耗也很低。相比之下，硅基 IGBT器件及其反并聯換流二極管作為雙極型器件，需要強的電導調制效應來降低通態(tài)壓降（特別是1200V及以上的高壓器件），引起明顯的尾電流和較高的反向恢復電荷，從而導致較高的關斷損耗、反向恢復損耗和開通損耗。

該團隊定量評估了 采用 IGBT 和 SiC MOSFET的 400V和800V電池系統(tǒng)的電動壓縮機逆變器能耗情況，逆變器峰值功率分別為6kW和10kW。

在 400V電池系統(tǒng)，輕載條件下SiC MOSFET方案在開關損耗和導通損耗方面優(yōu)勢明顯，整體損耗僅為傳統(tǒng)IGBT方案的17%至29%；重載條件下，SiC MOSFET開關損耗優(yōu)勢明顯，整體損耗約為傳統(tǒng)IGBT方案的40%。

在 800V電池系統(tǒng)，由于1200V IGBT器件及反并聯二極管的開關損耗特性較差，SiC MOSFET方案的優(yōu)勢更加明顯，輕載條件下整體損耗僅為傳統(tǒng)IGBT IPM方案的11%至17%，而重載條件下則變?yōu)?3%至27%左右。

與 IGBT 解決方案相比，采用 SiC MOSFET的 800V 45cc 電動壓縮機在不同工作點下都實現了逆變器效率改進：在不同輸出扭矩和轉速下，整體效率提升范圍為 2.07%-25%。

另一方面，SiC MOSFET的高開關頻率特性可提高PMSM電機的輕載效率。 出于生產工藝的考慮，車用電動壓縮機一般采用簡單的集中式繞組的永磁同步電機PMSM 。PMSM的損耗可分為基本損耗和諧波損耗，其中基本損耗可分為機械摩擦損耗和基波銅鐵損。

基波銅鐵損主要由基波電流引起，電動壓縮機逆變器可根據電機參數采用 MTPA等優(yōu)化控制策略，在滿足轉矩和轉速要求的條件下，最小化基波銅鐵損。通常，開關頻率越高，諧波銅損和磁滯損耗越低。

低速輕載時，電機諧波損耗占比較大，提高開關頻率可以通過降低諧波銅損和磁滯損耗來提高電機效率。諧波銅損和磁滯損耗分別與開關頻率的 1.2次方和1次方成反比。 因此，對于用于除霧、除霜等輔助功能的電動壓縮機，提高開關頻率可以提高壓縮機電機的效率。

在輕載條件下，與 10 kHz開關頻率相比，20 kHz開關頻率可 將 800V 電動壓縮機系統(tǒng)（電機 +逆變器）的效率提高 5.6%。

第三方面， 降低逆變器和電機的損耗將進一步提高 E-壓縮機的 能效比（ COP）。當空調系統(tǒng)工作在制冷狀態(tài)時，變頻器和電機的熱損耗將通過壓縮機與外界的卡諾循環(huán)條件被制冷劑帶走。

與傳統(tǒng)的硅 IGBT 解決方案相比，使用碳化硅 MOSFET 解決方案可以大大降低逆變器和電機的損耗，這意味著可降低制冷劑提供的冷卻需求。在保證相同機械功率輸出的情況下，這些節(jié)省的制冷量可用于增強系統(tǒng)的外部制冷量，從而進一步提高電動壓縮機的COP。原 IGBT方案的電動壓縮機COP為2.6，若采用碳化硅MOSFET后，電機和逆變器的效率提升10%，則電動壓縮機系統(tǒng)在不同負載條件下的COP將提升16% - 31%。

采用SiC MOS好處2：擴展空調電動壓縮機工作范圍

第二個好處，SiC MOSFET可以大大擴展空調電動壓縮機的工作范圍。

一方面，采用SiC MOSFET可以實現更強的低速控制能力。

電子壓縮機更強的低速運行能力可在系統(tǒng)能效和壓縮機續(xù)航能力優(yōu)化方面為空調系統(tǒng)帶來顯著效益。

壓縮機逆變器使用的無速度傳感器控制（基于電流傳感器）通常需要精確的輸出電壓估算，尤其是在低速范圍內。與硅?IGBT?相比，SiC MOSFET?解決方案在低速控制能力方面具有顯著優(yōu)勢。

在低速條件下，傳統(tǒng)IGBT方案引入的飽和壓降和死區(qū)時間會導致非線性電壓矢量誤差，甚至可能超過基本輸出電壓。為了解決這個問題，傳統(tǒng)的方法是通過額外的補償或在電機控制算法中加入非線性模型來抵消非線性因素的影響。不過，一旦?IGBT?補償不準確，就會導致壓縮機系統(tǒng)啟動失敗或系統(tǒng)不穩(wěn)定，這將導致電子壓縮機產品的良品率（PPM）大幅降低。

SiC MOSFET?解決方案比硅?IGBT?解決方案更具優(yōu)勢，尤其是在低速控制性能方面。使用?SiC MOSFET，零電流時的導通壓降幾乎不存在，而且由于其開關速度高，死區(qū)時間極短。即使開關頻率是?IGBT?解決方案的兩倍，其死區(qū)時間造成的輸出電壓誤差也只有?IGBT?解決方案的五分之一。而且SiC MOSFET?逆變器的非線性遠低于?IGBT?方案，因此無需補償就能顯著提高低速性能。

此外，SiC MOSFET?的高開關頻率可有效降低開關紋波，從而減少電機轉矩脈動。而且提高控制頻率還能改善負載擾動下的控制穩(wěn)定性和帶寬，最終對提高電動壓縮機的低速性能和控制穩(wěn)定性起到至關重要的作用。

另一方面，采用SiC MOSFET使得高溫重載條件下啟動運行能力更強。

對于800V電池電動汽車的超充工況，電動壓縮機需要具備更為關鍵的大負荷高溫環(huán)境啟動能力。

例如在炎熱夏日，環(huán)境溫度42℃，周圍無風，陽光直射后壓縮機艙內溫度可達85℃，此時電動壓縮機的吸排氣壓力比較高，而電動汽車需要在超充站以360kW的功率、近500Arms的電流進行充電。此時空調壓縮機需要峰值功率輸出，才能獲得足夠的制冷量來冷卻電池組和座艙。

這種場景對電動壓縮機而言極為嚴酷，尤其對于傳統(tǒng)的IGBT方案而言：壓縮機需要在高溫初始環(huán)境下運行數秒，實現高扭矩啟動，且沒有制冷劑帶走的熱量，因為初始流動緩慢，需要依靠散熱底板的熱容量來吸收功率器件的損耗。由于IGBT?損耗較大，很容易導致功率器件結溫超過其最大允許范圍，從而導致啟動失敗，甚至導致?IGBT?損壞。

然而，SiC MOSFET的損耗比?IGBT?低得多。這些芯片可以在更高的結溫下工作，支持更長的時間，直到壓縮機系統(tǒng)建立冷卻能力。

根據該團的測試，在夏季，與傳統(tǒng)?IGBT?方案相比，采用?SiC MOSFET?型電動壓縮機方案不僅可以將功率器件外殼溫度從?110°C?降低至?65°C，從而降低功率器件過熱故障風險，還可以通過使用?20 kHz?開關頻率消除可聽見的電磁噪聲。

再一方面，SiC MOSFET更適合超低溫熱泵工況。

超低溫熱泵可以有效提高電動汽車冬季制熱的能源效率，從而進一步提高汽車的續(xù)航里程，是未來的發(fā)展方向。超低溫熱泵工況下，吸氣壓力一般在0.5MPa以上，排氣壓力在2.3MPa左右，吸氣溫度高達60?℃時，電動壓縮機作為PTC加熱器工作。

該模式下加熱能量來源于電動壓縮機輸入的直流電，這對空調壓縮機變頻器的功耗提出了更高的要求：需要在較高的制冷劑溫度下保持大的轉矩輸出能力，而SiC MOSFET器件的低損耗和高工作結溫能力非常適合這些工況。

根據該團隊的測算，基于?SiC MOSFET?的電動壓縮機支持的最大出口壓力比基于IGBT?的電動壓縮機高?0.1?至?0.2 MPa，這表明?SiC MOSFET?解決方案的運行邊界更寬。

采用SiC MOS好處3：改善壓縮機NVH性能

第三個好處，SiC MOSFET?解決方案可改善?NVH?性能。

對于電動汽車來說，電動壓縮機系統(tǒng)的NVH問題在低速時更為突出，主要是因為沒有傳統(tǒng)內燃機背景噪聲振動的掩蓋。

電動壓縮機的NVH分析一般遵循“激勵源-傳輸路徑-接收器”模型，解決方案一般從激勵源或傳輸路徑入手。

噪聲傳遞途徑方面主要從機械結構方面考慮，如壓縮機結構進行模態(tài)和階次優(yōu)化設計，采用優(yōu)化的減振結構和支架設計，使用各類塞頭、減振墊、橡膠墊等措施。

而激勵源部分主要由以下三類組成：

變頻器+電纜+電機：因PWM調制引起的高頻電流切換及高頻電流諧波引起的電磁噪聲。

變頻器+電機：電機轉矩脈動是由時間諧波（由PWM調制引起）和空間諧波（由電機繞組結構、齒輪結構等引起）組合而成。

渦旋機械結構：由于壓縮機動、靜渦旋盤在運轉時會產生不平衡的轉動慣性力，這種周期性的不平衡力極易激發(fā)壓縮機的高頻振動。

對于上述噪聲激勵源，?SiC MOSFET?解決方案可以顯著降低表V中的噪聲。

采用SiC MOS好處4：推進電動壓縮機小型化

第四個好處，SiC MOSFET可以推進電動壓縮機小型化。

電動壓縮機系統(tǒng)的小型化一直是業(yè)界關注的焦點：它可以方便電動壓縮機的布置，節(jié)省前艙空間，縮短壓縮機線束長度，并有助于減輕車輛重量。

電動壓縮機系統(tǒng)小型化的發(fā)展與動力總成的發(fā)展類似：在保持相同輸出功率的情況下，提高電機轉速，從而減小電機和壓縮機的尺寸。在這種情況下，逆變器輸出的基頻將大幅增加。而且，逆變器的開關頻率必須進一步增加以保持相同的電流諧波分量，這對傳統(tǒng)的IGBT器件來說更具挑戰(zhàn)性。

隨著高速電動壓縮機外徑的大幅減小，逆變器軸向安裝在壓縮機殼體上，壓縮機逆變器的安裝尺寸將相應受到限制。SiC MOSFET功率器件的低散熱要求和芯片較小的占位面積要求使得功率器件和驅動電路可以集成到小型化的功率模塊（即智能功率模塊IPM）中，從而大幅減小功率電路部分的尺寸，最終實現電動壓縮機系統(tǒng)的小型化。

文章總結

根據該團隊的測試分析，在電動壓縮機逆變器中應用?SiC MOSFET?可以實現多個好處：

提升輕載條件下逆變器效率高達25%，若考慮更高開關頻率帶來的額外電機效率提升，以及壓縮機損耗降低帶來的額外復合效應，壓縮機COP甚至可提升2倍以上。

由于死區(qū)時間大幅減少、開關頻率提升，電動壓縮機重載工作轉速范圍由800～8500 rpm擴大至400～12000 rpm，此外，電動壓縮機采用SiC MOSFET可支持極高溫環(huán)境下的增壓及超低溫熱泵工況。

通過消除人耳可聽到的電磁噪聲以及降低由更高開關頻率的PWM調制產生的時間諧波引起的扭矩脈動，大大提高電動壓縮機的NVH性能。

變頻器體積縮小高達50%，電動壓縮機重量減輕高達1kg，將進一步實現壓縮機系統(tǒng)的標準化、平臺化，降低開發(fā)制造成本。

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