汽車空調高壓PTC開發的主要問題及對策

何通武

（空調國際（上海）有限公司，上海 201108）

1 高壓PTC 的應用

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

圖1 PTC 主要結構

以下就高壓PTC 開發過程中主要出現的質量問題，進行了改進設計方法探討。

2 制熱性能不足

高壓PTC 的發熱體是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是溫度系數α，溫度系數越大，表明PTC 對溫度變化的反應就越靈敏，即PTC 效應越顯著，其相應的PTC 性能也就越好[1]，如圖2 所示。對于汽車空調的高壓PTC 應用，由于車內空間設計的局限性，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熱量最大化。該文通過對不同RT 曲線產品的性能對比，從大量的樣本數據中總結出RT 曲線特性中對于發熱能力起關鍵作用的線段，發現在相同的居里溫度下，溫度系數α變大時，工作區域的溫度點會向高溫區移動，可以增加單個芯片的發熱能力，從而提升PTC 加熱器能量密度，其中部分驗證數據見表1。

圖2 R-T 曲線

表1 不同溫度系數芯片的功率

3 絕緣電阻下降

因為新能源車會實時監控整車高壓系統的絕緣電阻，如果高壓PTC 絕緣電阻降低，會導致整車報警而導致車輛不能啟動的情況，所以PTC 的絕緣設計非常重要，實際使用中導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，絕緣結構的設計不合理是產生該問題的主要原因。針對這個問題的解決方案是：在加熱棒組件設在設計加熱棒組件時，采用陶瓷基板+絕緣膜雙重絕緣結構（如圖3 所示）。這樣結構的高壓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，絕緣電阻達到1 GΩ。如果取消陶瓷片基板，雖然能減少成本，但是單獨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部滲水導致絕緣電阻快速下降。高壓PTC 安裝在空調箱的蒸發器后面，由于鼓風機吹風的作用，蒸發器的冷凝水會飛濺出到PTC 表面，由于一些項目的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，導致PTC 的絕緣電阻下降并帶來安全隱患。

圖3 加熱棒內部結構

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，再增加液態硅膠密封，液態硅膠注入腔體后，在一定溫度下固化，達到雙重密封效果，設計驗證時滿足高壓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 整體設計上滿足IP67 防護等級要求。

4 保護功能設計

雖然PTC 有恒溫加熱的特點，但在PTC 無風干燒等極端情況下，容易引起PTC 溫度過高，導致HVAC 殼體產生異味或產生熱變形，因此高壓PTC 溫度保護設計也非常重要。我們在產品設計時，對高壓PTC 做了3 個方面的溫度保護，確保高壓PTC 在安全的溫度范圍內工作，保護策略見表2[2]，觸發保護時關閉IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）從而關閉高壓PTC 制熱。

表2 主要溫度保護策略

除溫度保護外，還有芯體負載短路時會產生線路著火等嚴重問題，負載短路的主要原因是PTC 芯片出現問題引起的擊穿所致[3]，因此芯體短路保護功能也是主要的保護措施之一。設計上首先選用合適的IGBT 驅動芯片例如選用[ONSEMI]品牌的NCD5700x，可以對芯體短路問題進行硬件和軟件雙重保護，如圖4 所示。通過設置RS-DESAT電阻值，來設定DESAT 端口的保護關斷電壓閾值，其保護原理如下：DESAT 保護功能監視集電極-發射極之間的電壓。IGBT 處于導通狀態時，它的CE 電壓（稱為飽和電壓）通常很低，因此DESAT 保護電路將集電極-發射極電壓與設定的保護閾值電壓進行比較，通過計算

圖4 負載短路保護原理

式中：VDESAT為檢測到的不飽和電壓，RS-DESAT為保護電阻，IDESAT-CHG為DESAT端口保護電流，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。如果過流或者芯體短路等極端情況發生，它將激活FLT 端口的保護功能，關閉IGBT 以達到保護作用。

5 IGBT 擊穿問題

高壓PTC 經常出現的售后問題就是IGBT 擊穿問題，過壓擊穿會引起短路，導致 PTC 持續加熱不受控制；IGBT 過熱會引起熱擊穿，導致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 需要選用通過車規級認證，耐電壓等級達到1 200 V 的型號，以確保有足夠的耐高壓設計余量。2）可以適當增加X 安規電容值，對整車端浪涌電壓進行吸收。3）通過PWM 調節上升斜率以減少沖擊電流。4）優化PTC 控制算法（錯峰時序控制），減少紋波電流沖擊。

過熱擊穿問題預防：1）良好的散熱設計和IGBT 處布置NTC 溫度，使IGBT 處溫度達到95℃后，進行功率降額處理，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/關時間越長，IGBT 越容易發熱燒毀，一般建議為100 Ω～250 Ω。3）如果已經檢測到IGBT 短路發生，須立即向整車發DTC 報警，使整車端斷開PTC 高壓供電繼電器，避免高壓PTC 不受控制持續加熱。

6 PTC 噪聲的改善

因為PTC 內部并沒有運動機構產生機械運動噪聲，所以它的噪聲問題開發初期不會引起重視，但由于新能源車沒有發動機的噪聲，所以車內較為安靜，PTC 產生的工作噪聲很容易被用戶感知而引起客戶的抱怨。

噪聲產生的原因如下：當PTC 由PWM 控制器控制工作時，會在短時間內不斷的對PTC 進行通斷工作，在通斷瞬間，較高的瞬間電壓和周圍的高溫使芯片晶粒發生極化，導致芯片尺寸發生變化，出現芯片抖動現象，芯片振動引起加熱棒、翅片振動并發出噪聲。IGBT 的開關頻率越大，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域（人可聽見頻率區域為20 Hz～20 000 Hz），驗證數據見表3，IGBT 驅動頻率越大，噪聲值越大。

表3 不同驅動頻率的噪聲表現

改善方法：該文通過減少IGBT 驅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，取一個適當的頻率值。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斷的特性，電流會快速波動產生紋波電流。紋波電流與高壓PTC 的功率、IGBT 數量、IGBT 通斷時序以及每個加熱棒的電阻值等相關。

在相同的高壓PTC 功率下，增加IGBT 數量是降低紋波電流的有效方法，但是會明顯增加成本。實際在產品開發中，可以通過軟件優化調整每個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增高。

圖5 IGBT 通斷時序優化

8 結語

該文分析了高壓PTC 加熱器6 個方面的主要技術質量問題，根據筆者多年來為各新能源車高壓PTC開發經驗，對這些問題的改善提出了相應的設計改進措施：1）相同居里溫度下，溫度系數α增大，工作區域的溫度點往高溫區移動，這樣可以增加單個PTC 芯片制熱能力。2）加熱棒內部增加陶瓷基板可以大幅提升高壓PTC 在熱態工況下結緣電阻性能。3）應分別在IGBT、PCB、芯體邊框處設置溫度傳感器以加強PTC 過熱保護功能。4）根據以往項目的應用經驗，提出了常用的防止IGBT 擊穿的保護措施。5）通過優化IGBT 開關頻率，可以有效降低高壓PTC 的工作噪聲。6）通過軟件優化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 在實際應用中的一些技術質量問題，并了解相關問題的設計改進措施，相信對后續高壓PTC 新項目的開發設計會有所幫助。