致瞻科技：SiC MOS是800V汽车空调的首选

致瞻科技创始人史经奎和浙江大学团队发表了题为《SiC MOSFET：800V电动汽车空调压缩机的必然趋势》的论文。该团队旗帜鲜明地指出，与硅基IGBT相比，SiC MOSFET是800V电动汽车电动压缩机的首选。

为了向汽车用户展示800V电动汽车空调电动压缩机采用SiC MOSFET的好处，该团队采用保时捷Taycan Turbo S进行详细的系统评估。

结果显示，空调电动压缩机采用SiC MOSFET后，夏季和冬季的行驶里程分别可增加7.35公里和9公里，也就是说，汽车制造商在保持相同行驶里程的情况下，在夏季和冬季可以节省1095 Wh和1353 Wh的电池容量，这将使得消费者的购车成本大大降低。

EV法规趋严，空调压缩机亟需采用SiC MOS

汽车主机厂和汽车零部件厂商在开发部件产品时通常首先考虑的就是成本问题，而SiC MOSFET现在之所以能够成功应用于很多行业，其驱动力是广义上的成本，即采用SiC MOSFET器件所带来的系统级经济效益，超过了SiC MOSFET器件本身所增加的采购成本，例如：

电动汽车动力总成逆变器采用SiC MOSFET 器件，可以为汽车 OEM 节省电池成本；

光伏领域，SiC MOSFET器件在轻载下的高效率使得发电成本更低；

电动汽车车载充电器或 DC/DC 转换器采用SiC MOSFET可以减小整体尺寸和重量，同时节省电容器、电感器等无源储能器件的成本；

燃料电池空气压缩机采用SiC MOSFET器件能够实现超高转速，进而可以提高压缩机效率并减小尺寸和冷却要求，从而实现系统级成本的降低。

不用于上述OBC、DC/DC 转换器、动力总成逆变器等应用领域，电动汽车空调压缩机目前很少有SiC MOSFET 方案，主要是因为空调压缩机厂商对成本控制要求极高，因此，处于成本考虑，很多从业者的第一反应是将SiC MOSFET器件排除在选择范围之外。

但是与传统燃油汽车不同，电动汽车空调系统不仅承担着座舱热管理，还承担着电池系统热管理甚至电机控制热管理，对加热和冷却功率的高需求导致续航里程大幅缩短，而作为空调系统心脏的电动压缩机，电动压缩机中扮演着最关键的角色。

现阶段电动汽车的空调系统能耗非常高，仅次于车辆的行车能耗，尤其是在夏季和冬季，由于空调和供暖系统能耗高，电动汽车的行驶里程减少。

德国IAV的研究发现，在中型电动汽车（WLTP工况）中，空调系统的能耗在夏季和冬季分别可占到整车能耗的21%和38%，

为此，中国新实施的CLTC规范预计会对电动汽车的空调系统能耗提出更高的要求，根据下图，在CLTC条件下，郊区道路的相同行驶距离的平均速度较低，行驶时间较长，这导致空调使用时间更长，压缩机能耗更高，并影响电动汽车在高低温环境（-7°C-35°C）下的行驶里程。为此，中国汽车消费者研究测试中心 (CCRT) 规定将这些温度范围纳入电动汽车测试。

目前，主流电动汽车常用的PTC加热系统能效更低，导致电动汽车的行驶里程在冬季急剧下降。虽然特斯拉Model Y改用基于电动压缩机的热泵技术来提高加热效率，但该车型的冬季续航也就不是很理想。

汽车的热管理系统亟需要采用基于SiC MOSFET的电动压缩机，为了让汽车主机厂和汽车零部件厂商更了解SiC MOSFET在提升汽车热管理性能和降低系统成本方面的优势，该团队从系统层面对SiC MOSFET 优势进行全面、理性的评估。

空调压缩机结构，IGBT是现阶段主流

在汽车空调系统中，电动压缩机的作用是从低压侧吸入并压缩低温低压气态制冷剂，使其温度和压力升高再被泵入高温高压气态制冷剂的高压侧，如此往复循环，达到外界环境与车辆系统之间热交换器的作用。

现阶段，不同的电动汽车采用了不同的制冷/加热方案，各有优缺点，使用电动压缩机进行电池和座舱热管理的最大好处是在夏季和冬季都能实现高COP（能效比），从而使电动汽车的续航可提升，但缺点在于需要采用大功率的E压缩机，因为它承担了更多的夏季和冬季的热管理需求。

与电动汽车三合一动力系统类似，电动空调压缩机也是一个“小三合一”系统，包括逆变器、永磁同步电机（PMSM）和机械涡旋结构三大部件。

目前，市场上电动空调压缩机的主流逆变器方案采用三相全桥拓扑结构，多采用TO-247封装的IGBT分立器件或IGBT IPM模块，来实现压缩机在不同工况下的转速控制。

由于行业惯性和目前的热管理系统设计水平，硅基IGBT方案可能在初期占据主导地位，但随着电动压缩机供应商的设计开发能力不断提升，SiC MOSFET逆变器方案将逐渐取代传统的IGBT方案，成为800V电动空调压缩机逆变器的最优选择。

采用SiC MOS好处1：提升压缩机能效比

该团队认为， 800V电动空调压缩机逆变器 采用 SiC MOSFET ， 对压缩机能效和工作能力方面有着显著的提高。

第一个好处， SiC MOSFET 可以从 3个维度提高电动压缩机的能源效率。

一方面， SiC MOSFET器件非常适合 电动压缩机的轻载工况 。

800V汽车平台能够实现更短的充电时间，减少里程焦虑，提升用户体验， 但快充 /超充过程会导致电池快速升温，需要大功率的800V电动空调压缩机将其快速冷却， 以确保充电安全高效， 在此场景下，空调压缩机的峰值功率需设计在10 kW左右。

但是，电动压缩机大多工作在不需要电池冷却的轻载工况，春秋季节功耗一般在 300W –1000W，夏冬季节功耗一般在1000W –2500W，这正好符合了SiC MOSFET器件的优势。

SiC MOSFET 单极导通特性具有低导通损耗，由于其体二极管特性具有高开关速度和低反向恢复损耗，因此开关损耗也很低。相比之下，硅基 IGBT器件及其反并联换流二极管作为双极型器件，需要强的电导调制效应来降低通态压降（特别是1200V及以上的高压器件），引起明显的尾电流和较高的反向恢复电荷，从而导致较高的关断损耗、反向恢复损耗和开通损耗。

该团队定量评估了 采用 IGBT 和 SiC MOSFET的 400V和800V电池系统的电动压缩机逆变器能耗情况，逆变器峰值功率分别为6kW和10kW。

在 400V电池系统，轻载条件下SiC MOSFET方案在开关损耗和导通损耗方面优势明显，整体损耗仅为传统IGBT方案的17%至29%；重载条件下，SiC MOSFET开关损耗优势明显，整体损耗约为传统IGBT方案的40%。

在 800V电池系统，由于1200V IGBT器件及反并联二极管的开关损耗特性较差，SiC MOSFET方案的优势更加明显，轻载条件下整体损耗仅为传统IGBT IPM方案的11%至17%，而重载条件下则变为23%至27%左右。

与 IGBT 解决方案相比，采用 SiC MOSFET的 800V 45cc 电动压缩机在不同工作点下都实现了逆变器效率改进：在不同输出扭矩和转速下，整体效率提升范围为 2.07%-25%。

另一方面，SiC MOSFET的高开关频率特性可提高PMSM电机的轻载效率。 出于生产工艺的考虑，车用电动压缩机一般采用简单的集中式绕组的永磁同步电机PMSM 。PMSM的损耗可分为基本损耗和谐波损耗，其中基本损耗可分为机械摩擦损耗和基波铜铁损。

基波铜铁损主要由基波电流引起，电动压缩机逆变器可根据电机参数采用 MTPA等优化控制策略，在满足转矩和转速要求的条件下，最小化基波铜铁损。通常，开关频率越高，谐波铜损和磁滞损耗越低。

低速轻载时，电机谐波损耗占比较大，提高开关频率可以通过降低谐波铜损和磁滞损耗来提高电机效率。谐波铜损和磁滞损耗分别与开关频率的 1.2次方和1次方成反比。 因此，对于用于除雾、除霜等辅助功能的电动压缩机，提高开关频率可以提高压缩机电机的效率。

在轻载条件下，与 10 kHz开关频率相比，20 kHz开关频率可 将 800V 电动压缩机系统（电机 +逆变器）的效率提高 5.6%。

第三方面， 降低逆变器和电机的损耗将进一步提高 E-压缩机的 能效比（ COP）。当空调系统工作在制冷状态时，变频器和电机的热损耗将通过压缩机与外界的卡诺循环条件被制冷剂带走。

与传统的硅 IGBT 解决方案相比，使用碳化硅 MOSFET 解决方案可以大大降低逆变器和电机的损耗，这意味着可降低制冷剂提供的冷却需求。在保证相同机械功率输出的情况下，这些节省的制冷量可用于增强系统的外部制冷量，从而进一步提高电动压缩机的COP。原 IGBT方案的电动压缩机COP为2.6，若采用碳化硅MOSFET后，电机和逆变器的效率提升10%，则电动压缩机系统在不同负载条件下的COP将提升16% - 31%。

采用SiC MOS好处2：扩展空调电动压缩机工作范围

第二个好处，SiC MOSFET可以大大扩展空调电动压缩机的工作范围。

一方面，采用SiC MOSFET可以实现更强的低速控制能力。

电子压缩机更强的低速运行能力可在系统能效和压缩机续航能力优化方面为空调系统带来显著效益。

压缩机逆变器使用的无速度传感器控制（基于电流传感器）通常需要精确的输出电压估算，尤其是在低速范围内。与硅 IGBT 相比，SiC MOSFET 解决方案在低速控制能力方面具有显著优势。

在低速条件下，传统IGBT方案引入的饱和压降和死区时间会导致非线性电压矢量误差，甚至可能超过基本输出电压。为了解决这个问题，传统的方法是通过额外的补偿或在电机控制算法中加入非线性模型来抵消非线性因素的影响。不过，一旦 IGBT 补偿不准确，就会导致压缩机系统启动失败或系统不稳定，这将导致电子压缩机产品的良品率（PPM）大幅降低。

SiC MOSFET 解决方案比硅 IGBT 解决方案更具优势，尤其是在低速控制性能方面。使用 SiC MOSFET，零电流时的导通压降几乎不存在，而且由于其开关速度高，死区时间极短。即使开关频率是 IGBT 解决方案的两倍，其死区时间造成的输出电压误差也只有 IGBT 解决方案的五分之一。而且SiC MOSFET 逆变器的非线性远低于 IGBT 方案，因此无需补偿就能显著提高低速性能。

此外，SiC MOSFET 的高开关频率可有效降低开关纹波，从而减少电机转矩脉动。而且提高控制频率还能改善负载扰动下的控制稳定性和带宽，最终对提高电动压缩机的低速性能和控制稳定性起到至关重要的作用。

另一方面，采用SiC MOSFET使得高温重载条件下启动运行能力更强。

对于800V电池电动汽车的超充工况，电动压缩机需要具备更为关键的大负荷高温环境启动能力。

例如在炎热夏日，环境温度42℃，周围无风，阳光直射后压缩机舱内温度可达85℃，此时电动压缩机的吸排气压力比较高，而电动汽车需要在超充站以360kW的功率、近500Arms的电流进行充电。此时空调压缩机需要峰值功率输出，才能获得足够的制冷量来冷却电池组和座舱。

这种场景对电动压缩机而言极为严酷，尤其对于传统的IGBT方案而言：压缩机需要在高温初始环境下运行数秒，实现高扭矩启动，且没有制冷剂带走的热量，因为初始流动缓慢，需要依靠散热底板的热容量来吸收功率器件的损耗。由于IGBT 损耗较大，很容易导致功率器件结温超过其最大允许范围，从而导致启动失败，甚至导致 IGBT 损坏。

然而，SiC MOSFET的损耗比 IGBT 低得多。这些芯片可以在更高的结温下工作，支持更长的时间，直到压缩机系统建立冷却能力。

根据该团的测试，在夏季，与传统 IGBT 方案相比，采用 SiC MOSFET 型电动压缩机方案不仅可以将功率器件外壳温度从 110°C 降低至 65°C，从而降低功率器件过热故障风险，还可以通过使用 20 kHz 开关频率消除可听见的电磁噪声。

再一方面，SiC MOSFET更适合超低温热泵工况。

超低温热泵可以有效提高电动汽车冬季制热的能源效率，从而进一步提高汽车的续航里程，是未来的发展方向。超低温热泵工况下，吸气压力一般在0.5MPa以上，排气压力在2.3MPa左右，吸气温度高达60 ℃时，电动压缩机作为PTC加热器工作。

该模式下加热能量来源于电动压缩机输入的直流电，这对空调压缩机变频器的功耗提出了更高的要求：需要在较高的制冷剂温度下保持大的转矩输出能力，而SiC MOSFET器件的低损耗和高工作结温能力非常适合这些工况。

根据该团队的测算，基于 SiC MOSFET 的电动压缩机支持的最大出口压力比基于IGBT 的电动压缩机高 0.1 至 0.2 MPa，这表明 SiC MOSFET 解决方案的运行边界更宽。

采用SiC MOS好处3：改善压缩机NVH性能

第三个好处，SiC MOSFET 解决方案可改善 NVH 性能。

对于电动汽车来说，电动压缩机系统的NVH问题在低速时更为突出，主要是因为没有传统内燃机背景噪声振动的掩盖。

电动压缩机的NVH分析一般遵循“激励源-传输路径-接收器”模型，解决方案一般从激励源或传输路径入手。

噪声传递途径方面主要从机械结构方面考虑，如压缩机结构进行模态和阶次优化设计，采用优化的减振结构和支架设计，使用各类塞头、减振垫、橡胶垫等措施。

而激励源部分主要由以下三类组成：

变频器+电缆+电机：因PWM调制引起的高频电流切换及高频电流谐波引起的电磁噪声。

变频器+电机：电机转矩脉动是由时间谐波（由PWM调制引起）和空间谐波（由电机绕组结构、齿轮结构等引起）组合而成。

涡旋机械结构：由于压缩机动、静涡旋盘在运转时会产生不平衡的转动惯性力，这种周期性的不平衡力极易激发压缩机的高频振动。

对于上述噪声激励源， SiC MOSFET 解决方案可以显著降低表V中的噪声。

采用SiC MOS好处4：推进电动压缩机小型化

第四个好处，SiC MOSFET可以推进电动压缩机小型化。

电动压缩机系统的小型化一直是业界关注的焦点：它可以方便电动压缩机的布置，节省前舱空间，缩短压缩机线束长度，并有助于减轻车辆重量。

电动压缩机系统小型化的发展与动力总成的发展类似：在保持相同输出功率的情况下，提高电机转速，从而减小电机和压缩机的尺寸。在这种情况下，逆变器输出的基频将大幅增加。而且，逆变器的开关频率必须进一步增加以保持相同的电流谐波分量，这对传统的IGBT器件来说更具挑战性。

随着高速电动压缩机外径的大幅减小，逆变器轴向安装在压缩机壳体上，压缩机逆变器的安装尺寸将相应受到限制。SiC MOSFET功率器件的低散热要求和芯片较小的占位面积要求使得功率器件和驱动电路可以集成到小型化的功率模块（即智能功率模块IPM）中，从而大幅减小功率电路部分的尺寸，最终实现电动压缩机系统的小型化。

文章总结

根据该团队的测试分析，在电动压缩机逆变器中应用 SiC MOSFET 可以实现多个好处：

提升轻载条件下逆变器效率高达25%，若考虑更高开关频率带来的额外电机效率提升，以及压缩机损耗降低带来的额外复合效应，压缩机COP甚至可提升2倍以上。

由于死区时间大幅减少、开关频率提升，电动压缩机重载工作转速范围由800∼8500 rpm扩大至400∼12000 rpm，此外，电动压缩机采用SiC MOSFET可支持极高温环境下的增压及超低温热泵工况。

通过消除人耳可听到的电磁噪声以及降低由更高开关频率的PWM调制产生的时间谐波引起的扭矩脉动，大大提高电动压缩机的NVH性能。

变频器体积缩小高达50%，电动压缩机重量减轻高达1kg，将进一步实现压缩机系统的标准化、平台化，降低开发制造成本。

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