汽車空調(diào)高壓PTC開發(fā)的主要問題及對策

何通武

（空調(diào)國際（上海）有限公司，上海 201108）

1 高壓PTC 的應(yīng)用

新能源電動汽車由于沒有發(fā)動機(jī)的余熱可以利用，因此需要其他制熱方式進(jìn)行供暖。從制熱模式看，可以分為熱泵和 PTC 2 種技術(shù)路線，由于熱泵系統(tǒng)制熱在環(huán)境溫度較低時效率也低，還是需要通過高壓PTC 進(jìn)行輔助加熱，該文介紹的高壓PTC，是目前純電動新能源汽車空調(diào)供暖的主要方式之一。高壓PTC 安裝在空調(diào)箱的鼓風(fēng)機(jī)和蒸發(fā)器之后，在空調(diào)出風(fēng)口之前，當(dāng)空調(diào)系統(tǒng)有制熱需求時，整車通過CAN（車用控制器局域網(wǎng)，傳輸速度較高）或LIN（汽車控制器的輔助網(wǎng)絡(luò)，傳輸速度較低）總線將功率需求指令發(fā)送給高壓PTC，控制器通過不同的PWM（脈沖寬度調(diào)制）占空比信號來控制IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）的通斷，從而調(diào)節(jié)高壓PTC 的加熱功率。高壓PTC 在結(jié)構(gòu)上分為加熱器芯體和控制器2 個部分，加熱芯體根據(jù)功率大小由若干組加熱棒組成，主要結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 PTC 主要結(jié)構(gòu)

以下就高壓PTC 開發(fā)過程中主要出現(xiàn)的質(zhì)量問題，進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)方法探討。

2 制熱性能不足

高壓PTC 的發(fā)熱體是PTC 熱敏電阻芯片，眾所周知，PTC 熱敏電阻超過一定的溫度（居里溫度）后，它的電阻值隨著溫度的升高呈現(xiàn)跳躍式的增大，從而限制了高壓PTC 的電流，使PTC 的芯體的溫度能保持相對的平衡，這就是高壓PTC 電加熱器的主要工作特性。

高壓PTC 性能好壞的重要參數(shù)是溫度系數(shù)α，溫度系數(shù)越大，表明PTC 對溫度變化的反應(yīng)就越靈敏，即PTC 效應(yīng)越顯著，其相應(yīng)的PTC 性能也就越好[1]，如圖2 所示。對于汽車空調(diào)的高壓PTC 應(yīng)用，由于車內(nèi)空間設(shè)計(jì)的局限性，研究人員主要考慮在較低的表面溫度下，如何使單個芯片的發(fā)熱量最大化。該文通過對不同RT 曲線產(chǎn)品的性能對比，從大量的樣本數(shù)據(jù)中總結(jié)出RT 曲線特性中對于發(fā)熱能力起關(guān)鍵作用的線段，發(fā)現(xiàn)在相同的居里溫度下，溫度系數(shù)α變大時，工作區(qū)域的溫度點(diǎn)會向高溫區(qū)移動，可以增加單個芯片的發(fā)熱能力，從而提升PTC 加熱器能量密度，其中部分驗(yàn)證數(shù)據(jù)見表1。

圖2 R-T 曲線

表1 不同溫度系數(shù)芯片的功率

3 絕緣電阻下降

因?yàn)樾履茉窜嚂?shí)時監(jiān)控整車高壓系統(tǒng)的絕緣電阻，如果高壓PTC 絕緣電阻降低，會導(dǎo)致整車報警而導(dǎo)致車輛不能啟動的情況，所以PTC 的絕緣設(shè)計(jì)非常重要，實(shí)際使用中導(dǎo)致絕緣電阻下降主要有2 個方面原因：1）由于PTC 加熱工作溫度升高而導(dǎo)致絕緣電阻快速下降。例如在常溫測試時，PTC 的絕緣電阻大于1 GΩ，但是在高壓PTC 加熱后，絕緣電阻快速下降至10 MΩ，個別會下降至2 MΩ 以下，絕緣結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)不合理是產(chǎn)生該問題的主要原因。針對這個問題的解決方案是：在加熱棒組件設(shè)在設(shè)計(jì)加熱棒組件時，采用陶瓷基板+絕緣膜雙重絕緣結(jié)構(gòu)（如圖3 所示）。這樣結(jié)構(gòu)的高壓PTC 在150 ℃高溫下測試絕緣電阻，DC 2800V 測試60 s，漏電流小于1 mA，絕緣電阻達(dá)到1 GΩ。如果取消陶瓷片基板，雖然能減少成本，但是單獨(dú)依靠聚酰胺薄膜的絕緣作用，在PTC 加熱后，PTC 的絕緣電阻會大幅降低。2）由于控制器室或加熱棒內(nèi)部滲水導(dǎo)致絕緣電阻快速下降。高壓PTC 安裝在空調(diào)箱的蒸發(fā)器后面，由于鼓風(fēng)機(jī)吹風(fēng)的作用，蒸發(fā)器的冷凝水會飛濺出到PTC 表面，由于一些項(xiàng)目的PTC是由下往上插入安裝的，因此PTC 加熱棒和控制器室安裝處容易積水滲透，導(dǎo)致PTC 的絕緣電阻下降并帶來安全隱患。

圖3 加熱棒內(nèi)部結(jié)構(gòu)

解決方案是在加熱棒和控制器室之間除了使用防水塞密封外，再增加液態(tài)硅膠密封，液態(tài)硅膠注入腔體后，在一定溫度下固化，達(dá)到雙重密封效果，設(shè)計(jì)驗(yàn)證時滿足高壓PTC在水下1 m 處沉浸30 min 之后，絕緣電阻測試大于500 MΩ的要求，使高壓PTC 整體設(shè)計(jì)上滿足IP67 防護(hù)等級要求。

4 保護(hù)功能設(shè)計(jì)

雖然PTC 有恒溫加熱的特點(diǎn)，但在PTC 無風(fēng)干燒等極端情況下，容易引起PTC 溫度過高，導(dǎo)致HVAC 殼體產(chǎn)生異味或產(chǎn)生熱變形，因此高壓PTC 溫度保護(hù)設(shè)計(jì)也非常重要。我們在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時，對高壓PTC 做了3 個方面的溫度保護(hù)，確保高壓PTC 在安全的溫度范圍內(nèi)工作，保護(hù)策略見表2[2]，觸發(fā)保護(hù)時關(guān)閉IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）從而關(guān)閉高壓PTC 制熱。

表2 主要溫度保護(hù)策略

除溫度保護(hù)外，還有芯體負(fù)載短路時會產(chǎn)生線路著火等嚴(yán)重問題，負(fù)載短路的主要原因是PTC 芯片出現(xiàn)問題引起的擊穿所致[3]，因此芯體短路保護(hù)功能也是主要的保護(hù)措施之一。設(shè)計(jì)上首先選用合適的IGBT 驅(qū)動芯片例如選用[ONSEMI]品牌的NCD5700x，可以對芯體短路問題進(jìn)行硬件和軟件雙重保護(hù)，如圖4 所示。通過設(shè)置RS-DESAT電阻值，來設(shè)定DESAT 端口的保護(hù)關(guān)斷電壓閾值，其保護(hù)原理如下：DESAT 保護(hù)功能監(jiān)視集電極-發(fā)射極之間的電壓。IGBT 處于導(dǎo)通狀態(tài)時，它的CE 電壓（稱為飽和電壓）通常很低，因此DESAT 保護(hù)電路將集電極-發(fā)射極電壓與設(shè)定的保護(hù)閾值電壓進(jìn)行比較，通過計(jì)算

圖4 負(fù)載短路保護(hù)原理

式中：VDESAT為檢測到的不飽和電壓，RS-DESAT為保護(hù)電阻，IDESAT-CHG為DESAT端口保護(hù)電流，VHVdiode為高壓二極管電壓降，VCE為IGBT 電壓降。

確定IGBT 是否處于飽和工作狀態(tài)。如果過流或者芯體短路等極端情況發(fā)生，它將激活FLT 端口的保護(hù)功能，關(guān)閉IGBT 以達(dá)到保護(hù)作用。

5 IGBT 擊穿問題

高壓PTC 經(jīng)常出現(xiàn)的售后問題就是IGBT 擊穿問題，過壓擊穿會引起短路，導(dǎo)致 PTC 持續(xù)加熱不受控制；IGBT 過熱會引起熱擊穿，導(dǎo)致IGBT 開路使 PTC 失去加熱功能，以下針對該問題例舉了解決措施。。

過壓擊穿問題預(yù)防：1）由于高壓電路端浪涌電壓的存在，IGBT 需要選用通過車規(guī)級認(rèn)證，耐電壓等級達(dá)到1 200 V 的型號，以確保有足夠的耐高壓設(shè)計(jì)余量。2）可以適當(dāng)增加X 安規(guī)電容值，對整車端浪涌電壓進(jìn)行吸收。3）通過PWM 調(diào)節(jié)上升斜率以減少沖擊電流。4）優(yōu)化PTC 控制算法（錯峰時序控制），減少紋波電流沖擊。

過熱擊穿問題預(yù)防：1）良好的散熱設(shè)計(jì)和IGBT 處布置NTC 溫度，使IGBT 處溫度達(dá)到95℃后，進(jìn)行功率降額處理，避免IGBT 過熱擊穿。2）選擇合適的IGBT GATE 限流電阻，該電阻決定 IGBT 的通斷時間。該電阻值越大，IGBT 的開/關(guān)時間越長，IGBT 越容易發(fā)熱燒毀，一般建議為100 Ω～250 Ω。3）如果已經(jīng)檢測到IGBT 短路發(fā)生，須立即向整車發(fā)DTC 報警，使整車端斷開PTC 高壓供電繼電器，避免高壓PTC 不受控制持續(xù)加熱。

6 PTC 噪聲的改善

因?yàn)镻TC 內(nèi)部并沒有運(yùn)動機(jī)構(gòu)產(chǎn)生機(jī)械運(yùn)動噪聲，所以它的噪聲問題開發(fā)初期不會引起重視，但由于新能源車沒有發(fā)動機(jī)的噪聲，所以車內(nèi)較為安靜，PTC 產(chǎn)生的工作噪聲很容易被用戶感知而引起客戶的抱怨。

噪聲產(chǎn)生的原因如下：當(dāng)PTC 由PWM 控制器控制工作時，會在短時間內(nèi)不斷的對PTC 進(jìn)行通斷工作，在通斷瞬間，較高的瞬間電壓和周圍的高溫使芯片晶粒發(fā)生極化，導(dǎo)致芯片尺寸發(fā)生變化，出現(xiàn)芯片抖動現(xiàn)象，芯片振動引起加熱棒、翅片振動并發(fā)出噪聲。IGBT 的開關(guān)頻率越大，芯片振動頻率越快，PTC 的噪聲頻率也越接近人可聽見的頻率區(qū)域（人可聽見頻率區(qū)域?yàn)?0 Hz～20 000 Hz），驗(yàn)證數(shù)據(jù)見表3，IGBT 驅(qū)動頻率越大，噪聲值越大。

表3 不同驅(qū)動頻率的噪聲表現(xiàn)

改善方法：該文通過減少IGBT 驅(qū)動頻率來降低工作噪聲，降低工作頻率使整車更容易探測到PTC 的紋波電流波動，需要同時處理好噪聲和紋波電流過大的問題，取一個適當(dāng)?shù)念l率值。對整車NVH 要求較高的高壓PTC，建議使用40 Hz 以下的IGBT 驅(qū)動頻率。

7 紋波電流問題

新能源汽車低溫充電時有使用高壓PTC 加熱的工況存在，如紋波電流波動過大會使顯示的剩余充電時間反復(fù)波動，而造成用戶的困惑。

主要原因是高壓PTC 工作時由于IGBT 的PWM 控制信號快速開通關(guān)斷的特性，電流會快速波動產(chǎn)生紋波電流。紋波電流與高壓PTC 的功率、IGBT 數(shù)量、IGBT 通斷時序以及每個加熱棒的電阻值等相關(guān)。

在相同的高壓PTC 功率下，增加IGBT 數(shù)量是降低紋波電流的有效方法，但是會明顯增加成本。實(shí)際在產(chǎn)品開發(fā)中，可以通過軟件優(yōu)化調(diào)整每個IGBT 通斷時序，使工作電流錯峰，也能有效降低PTC 的紋波電流，如圖5 所示，以30%的PWM 占空比工作功率為例，通過IGBT 的錯峰通斷，PWM 占空比越高，總電流的重疊部分也越多，但紋波電流Iripple 基本保持不變，不會由于工作功率增大而相應(yīng)增高。

圖5 IGBT 通斷時序優(yōu)化

8 結(jié)語

該文分析了高壓PTC 加熱器6 個方面的主要技術(shù)質(zhì)量問題，根據(jù)筆者多年來為各新能源車高壓PTC開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，對這些問題的改善提出了相應(yīng)的設(shè)計(jì)改進(jìn)措施：1）相同居里溫度下，溫度系數(shù)α增大，工作區(qū)域的溫度點(diǎn)往高溫區(qū)移動，這樣可以增加單個PTC 芯片制熱能力。2）加熱棒內(nèi)部增加陶瓷基板可以大幅提升高壓PTC 在熱態(tài)工況下結(jié)緣電阻性能。3）應(yīng)分別在IGBT、PCB、芯體邊框處設(shè)置溫度傳感器以加強(qiáng)PTC 過熱保護(hù)功能。4）根據(jù)以往項(xiàng)目的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，提出了常用的防止IGBT 擊穿的保護(hù)措施。5）通過優(yōu)化IGBT 開關(guān)頻率，可以有效降低高壓PTC 的工作噪聲。6）通過軟件優(yōu)化IGBT 通斷時序，可以降低高壓PTC 的紋波電流。

總之，通過分析高壓PTC 在實(shí)際應(yīng)用中的一些技術(shù)質(zhì)量問題，并了解相關(guān)問題的設(shè)計(jì)改進(jìn)措施，相信對后續(xù)高壓PTC 新項(xiàng)目的開發(fā)設(shè)計(jì)會有所幫助。