汽车空调高压PTC开发的主要问题及对策

何通武

（空调国际（上海）有限公司，上海 201108）

1 高压PTC 的应用

新能源电动汽车由于没有发动机的余热可以利用，因此需要其他制热方式进行供暖。从制热模式看，可以分为热泵和 PTC 2 种技术路线，由于热泵系统制热在环境温度较低时效率也低，还是需要通过高压PTC 进行辅助加热，该文介绍的高压PTC，是目前纯电动新能源汽车空调供暖的主要方式之一。高压PTC 安装在空调箱的鼓风机和蒸发器之后，在空调出风口之前，当空调系统有制热需求时，整车通过CAN（车用控制器局域网，传输速度较高）或LIN（汽车控制器的辅助网络，传输速度较低）总线将功率需求指令发送给高压PTC，控制器通过不同的PWM（脉冲宽度调制）占空比信号来控制IGBT（绝缘栅双极型晶体管）的通断，从而调节高压PTC 的加热功率。高压PTC 在结构上分为加热器芯体和控制器2 个部分，加热芯体根据功率大小由若干组加热棒组成，主要结构如图1 所示。

图1 PTC 主要结构

以下就高压PTC 开发过程中主要出现的质量问题，进行了改进设计方法探讨。

2 制热性能不足

高压PTC 的发热体是PTC 热敏电阻芯片，众所周知，PTC 热敏电阻超过一定的温度（居里温度）后，它的电阻值随着温度的升高呈现跳跃式的增大，从而限制了高压PTC 的电流，使PTC 的芯体的温度能保持相对的平衡，这就是高压PTC 电加热器的主要工作特性。

高压PTC 性能好坏的重要参数是温度系数α，温度系数越大，表明PTC 对温度变化的反应就越灵敏，即PTC 效应越显著，其相应的PTC 性能也就越好[1]，如图2 所示。对于汽车空调的高压PTC 应用，由于车内空间设计的局限性，研究人员主要考虑在较低的表面温度下，如何使单个芯片的发热量最大化。该文通过对不同RT 曲线产品的性能对比，从大量的样本数据中总结出RT 曲线特性中对于发热能力起关键作用的线段，发现在相同的居里温度下，温度系数α变大时，工作区域的温度点会向高温区移动，可以增加单个芯片的发热能力，从而提升PTC 加热器能量密度，其中部分验证数据见表1。

图2 R-T 曲线

表1 不同温度系数芯片的功率

3 绝缘电阻下降

因为新能源车会实时监控整车高压系统的绝缘电阻，如果高压PTC 绝缘电阻降低，会导致整车报警而导致车辆不能启动的情况，所以PTC 的绝缘设计非常重要，实际使用中导致绝缘电阻下降主要有2 个方面原因：1）由于PTC 加热工作温度升高而导致绝缘电阻快速下降。例如在常温测试时，PTC 的绝缘电阻大于1 GΩ，但是在高压PTC 加热后，绝缘电阻快速下降至10 MΩ，个别会下降至2 MΩ 以下，绝缘结构的设计不合理是产生该问题的主要原因。针对这个问题的解决方案是：在加热棒组件设在设计加热棒组件时，采用陶瓷基板+绝缘膜双重绝缘结构（如图3 所示）。这样结构的高压PTC 在150 ℃高温下测试绝缘电阻，DC 2800V 测试60 s，漏电流小于1 mA，绝缘电阻达到1 GΩ。如果取消陶瓷片基板，虽然能减少成本，但是单独依靠聚酰胺薄膜的绝缘作用，在PTC 加热后，PTC 的绝缘电阻会大幅降低。2）由于控制器室或加热棒内部渗水导致绝缘电阻快速下降。高压PTC 安装在空调箱的蒸发器后面，由于鼓风机吹风的作用，蒸发器的冷凝水会飞溅出到PTC 表面，由于一些项目的PTC是由下往上插入安装的，因此PTC 加热棒和控制器室安装处容易积水渗透，导致PTC 的绝缘电阻下降并带来安全隐患。

图3 加热棒内部结构

解决方案是在加热棒和控制器室之间除了使用防水塞密封外，再增加液态硅胶密封，液态硅胶注入腔体后，在一定温度下固化，达到双重密封效果，设计验证时满足高压PTC在水下1 m 处沉浸30 min 之后，绝缘电阻测试大于500 MΩ的要求，使高压PTC 整体设计上满足IP67 防护等级要求。

4 保护功能设计

虽然PTC 有恒温加热的特点，但在PTC 无风干烧等极端情况下，容易引起PTC 温度过高，导致HVAC 壳体产生异味或产生热变形，因此高压PTC 温度保护设计也非常重要。我们在产品设计时，对高压PTC 做了3 个方面的温度保护，确保高压PTC 在安全的温度范围内工作，保护策略见表2[2]，触发保护时关闭IGBT（绝缘栅双极型晶体管）从而关闭高压PTC 制热。

表2 主要温度保护策略

除温度保护外，还有芯体负载短路时会产生线路着火等严重问题，负载短路的主要原因是PTC 芯片出现问题引起的击穿所致[3]，因此芯体短路保护功能也是主要的保护措施之一。设计上首先选用合适的IGBT 驱动芯片例如选用[ONSEMI]品牌的NCD5700x，可以对芯体短路问题进行硬件和软件双重保护，如图4 所示。通过设置RS-DESAT电阻值，来设定DESAT 端口的保护关断电压阈值，其保护原理如下：DESAT 保护功能监视集电极-发射极之间的电压。IGBT 处于导通状态时，它的CE 电压（称为饱和电压）通常很低，因此DESAT 保护电路将集电极-发射极电压与设定的保护阈值电压进行比较，通过计算

图4 负载短路保护原理

式中：VDESAT为检测到的不饱和电压，RS-DESAT为保护电阻，IDESAT-CHG为DESAT端口保护电流，VHVdiode为高压二极管电压降，VCE为IGBT 电压降。

确定IGBT 是否处于饱和工作状态。如果过流或者芯体短路等极端情况发生，它将激活FLT 端口的保护功能，关闭IGBT 以达到保护作用。

5 IGBT 击穿问题

高压PTC 经常出现的售后问题就是IGBT 击穿问题，过压击穿会引起短路，导致 PTC 持续加热不受控制；IGBT 过热会引起热击穿，导致IGBT 开路使 PTC 失去加热功能，以下针对该问题例举了解决措施。。

过压击穿问题预防：1）由于高压电路端浪涌电压的存在，IGBT 需要选用通过车规级认证，耐电压等级达到1 200 V 的型号，以确保有足够的耐高压设计余量。2）可以适当增加X 安规电容值，对整车端浪涌电压进行吸收。3）通过PWM 调节上升斜率以减少冲击电流。4）优化PTC 控制算法（错峰时序控制），减少纹波电流冲击。

过热击穿问题预防：1）良好的散热设计和IGBT 处布置NTC 温度，使IGBT 处温度达到95℃后，进行功率降额处理，避免IGBT 过热击穿。2）选择合适的IGBT GATE 限流电阻，该电阻决定 IGBT 的通断时间。该电阻值越大，IGBT 的开/关时间越长，IGBT 越容易发热烧毁，一般建议为100 Ω～250 Ω。3）如果已经检测到IGBT 短路发生，须立即向整车发DTC 报警，使整车端断开PTC 高压供电继电器，避免高压PTC 不受控制持续加热。

6 PTC 噪声的改善

因为PTC 内部并没有运动机构产生机械运动噪声，所以它的噪声问题开发初期不会引起重视，但由于新能源车没有发动机的噪声，所以车内较为安静，PTC 产生的工作噪声很容易被用户感知而引起客户的抱怨。

噪声产生的原因如下：当PTC 由PWM 控制器控制工作时，会在短时间内不断的对PTC 进行通断工作，在通断瞬间，较高的瞬间电压和周围的高温使芯片晶粒发生极化，导致芯片尺寸发生变化，出现芯片抖动现象，芯片振动引起加热棒、翅片振动并发出噪声。IGBT 的开关频率越大，芯片振动频率越快，PTC 的噪声频率也越接近人可听见的频率区域（人可听见频率区域为20 Hz～20 000 Hz），验证数据见表3，IGBT 驱动频率越大，噪声值越大。

表3 不同驱动频率的噪声表现

改善方法：该文通过减少IGBT 驱动频率来降低工作噪声，降低工作频率使整车更容易探测到PTC 的纹波电流波动，需要同时处理好噪声和纹波电流过大的问题，取一个适当的频率值。对整车NVH 要求较高的高压PTC，建议使用40 Hz 以下的IGBT 驱动频率。

7 纹波电流问题

新能源汽车低温充电时有使用高压PTC 加热的工况存在，如纹波电流波动过大会使显示的剩余充电时间反复波动，而造成用户的困惑。

主要原因是高压PTC 工作时由于IGBT 的PWM 控制信号快速开通关断的特性，电流会快速波动产生纹波电流。纹波电流与高压PTC 的功率、IGBT 数量、IGBT 通断时序以及每个加热棒的电阻值等相关。

在相同的高压PTC 功率下，增加IGBT 数量是降低纹波电流的有效方法，但是会明显增加成本。实际在产品开发中，可以通过软件优化调整每个IGBT 通断时序，使工作电流错峰，也能有效降低PTC 的纹波电流，如图5 所示，以30%的PWM 占空比工作功率为例，通过IGBT 的错峰通断，PWM 占空比越高，总电流的重叠部分也越多，但纹波电流Iripple 基本保持不变，不会由于工作功率增大而相应增高。

图5 IGBT 通断时序优化

8 结语

该文分析了高压PTC 加热器6 个方面的主要技术质量问题，根据笔者多年来为各新能源车高压PTC开发经验，对这些问题的改善提出了相应的设计改进措施：1）相同居里温度下，温度系数α增大，工作区域的温度点往高温区移动，这样可以增加单个PTC 芯片制热能力。2）加热棒内部增加陶瓷基板可以大幅提升高压PTC 在热态工况下结缘电阻性能。3）应分别在IGBT、PCB、芯体边框处设置温度传感器以加强PTC 过热保护功能。4）根据以往项目的应用经验，提出了常用的防止IGBT 击穿的保护措施。5）通过优化IGBT 开关频率，可以有效降低高压PTC 的工作噪声。6）通过软件优化IGBT 通断时序，可以降低高压PTC 的纹波电流。

总之，通过分析高压PTC 在实际应用中的一些技术质量问题，并了解相关问题的设计改进措施，相信对后续高压PTC 新项目的开发设计会有所帮助。