使用碳化硅(SiC)來應(yīng)對空調(diào)和熱泵的高溫挑戰(zhàn)

碳化硅(SiC)憑借前所未有的效率、增強(qiáng)的耐用性和在最惡劣環(huán)境中的卓越性能，正在改變熱泵和空調(diào)行業(yè)。SiC驅(qū)動模塊的解決方案可以滿足新的、更嚴(yán)格的能效規(guī)定，并且只需對現(xiàn)有設(shè)計(jì)進(jìn)行最少的改造或完全采用新的系統(tǒng)設(shè)計(jì)即可。

國際標(biāo)準(zhǔn)要求提高能效

全球范圍內(nèi)日益嚴(yán)格的熱泵和空調(diào)能效標(biāo)準(zhǔn)旨在大幅降低住宅、商業(yè)和工業(yè)應(yīng)用中供暖和制冷的環(huán)境影響。在美國，供暖和制冷系統(tǒng)的效率是根據(jù)一個(gè)名為季節(jié)性能效比(SEER)的國家標(biāo)準(zhǔn)來衡量的。

從2023年開始，在美國北部地區(qū)銷售的所有新型住宅中央空調(diào)和空氣源熱泵系統(tǒng)均要求達(dá)到至少14的SEER等級。在南部各州，由于制冷占家庭能源消耗的較大份額，因此要求SEER等級至少達(dá)到15。

歐洲有一個(gè)類似的標(biāo)準(zhǔn)，即歐洲能效比(ESEER)，要求新系統(tǒng)的能效等級必須達(dá)到B級或以上。

中國則有GB21455能效標(biāo)準(zhǔn)，要求新設(shè)計(jì)應(yīng)追求更高的能效等級，但不得低于5級。圖1展示了美國、歐洲和中國日益嚴(yán)格的能效標(biāo)準(zhǔn)。

對于傳統(tǒng)的硅功率半導(dǎo)體器件來說，滿足這些要求是困難的。碳化硅提供了一種簡單、成本效益高的方式來滿足這些標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)使整體加熱和冷卻系統(tǒng)更小、功率密度更高且更安靜。

通過簡單的插入式碳化硅器件提高效率

碳化硅分立器件可以輕松地集成到現(xiàn)有的熱泵和空調(diào)設(shè)計(jì)中，從而實(shí)現(xiàn)足夠的能效提升，以滿足SEER、ESEER和GB21455標(biāo)準(zhǔn)。圖2展示了熱泵和空調(diào)的各種子系統(tǒng)，包括功率轉(zhuǎn)換(PFC)和逆變器，它們共同為壓縮機(jī)供電并提供所需的空氣溫度。

圖3(左)顯示了有源升壓配置中的典型硅基PFC。如圖右側(cè)所示，只需將硅二極管替換為650V或1200V(取決于直流母線電壓)的碳化硅(SiC)肖特基二極管，而無需對系統(tǒng)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，即可輕松改進(jìn)此設(shè)計(jì)。這是一種非常受歡迎的升級方式，可將效率提高0.5%或更高。

與硅二極管不同，650V和1200V的碳化硅肖特基二極管具有零反向恢復(fù)電荷(Qrr)。Wolfspeed的C4D 1200V和C3D 650V SiC二極管系列提供了市場上最佳的反向恢復(fù)性能(圖4)。如圖所示，這些SiC二極管的性能明顯優(yōu)于硅整流器。

通過SiC重新設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的效率提升

通過將PFC重新設(shè)計(jì)為半無橋或無橋 totem pole 配置(圖5)，可以進(jìn)一步最大化碳化硅的性能優(yōu)勢。半無橋PFC拓?fù)湓诳焖匍_關(guān)支路上使用兩個(gè)SiC 650/750 V MOSFET，在慢速開關(guān)支路上使用兩個(gè)SiC 650/1200 V二極管(取決于直流鏈路電壓)。這種設(shè)計(jì)可以使系統(tǒng)效率比基于硅的升壓PFC提高1.5%。

同樣，使用所有SiC MOSFET在快速和慢速開關(guān)支路上的全無橋PFC拓?fù)淇梢允瓜到y(tǒng)效率比基于硅的升壓PFC提高1.9%。如圖6所示，在一個(gè)11 kW壓縮機(jī)系統(tǒng)中，以16 kHz的頻率切換，與基于硅的解決方案相比，使用SiC可以使系統(tǒng)的總損耗減少超過50%。

由于硅MOSFET的反向恢復(fù)較大(圖7)，它們不適合無橋PFC拓?fù)?，而?a target="_blank">IGBT表現(xiàn)出高開關(guān)損耗，需要較低的開關(guān)頻率和較大的磁性組件，導(dǎo)致成本更高。

得益于改進(jìn)的開關(guān)性能和更好的熱性能，這種重新設(shè)計(jì)的方法減少了可聽噪聲，并根據(jù)IEC60034-14標(biāo)準(zhǔn)輕松將新的工業(yè)電機(jī)安裝從IE3過渡到IE4和IE5(圖8)。

逆變器階段重新設(shè)計(jì)的額外收益

逆變器階段，由6個(gè)開關(guān)組成，可以通過替換所有現(xiàn)有的IGBT開關(guān)輕松升級為全SiC解決方案，如圖9所示。

與典型的IGBT解決方案相比，碳化硅MOSFET提供最低的傳導(dǎo)損耗。圖10展示了1200 V Wolfspeed SiC MOSFET與傳統(tǒng)IGBT的傳導(dǎo)損耗。SiC MOSFET在30%負(fù)載下提供50%的傳導(dǎo)損耗減少，在半負(fù)載下提供30%的傳導(dǎo)損耗減少。

當(dāng)比較1200 V SiC MOSFET的開關(guān)與典型的1200 V IGBT時(shí)，超低開關(guān)損耗的優(yōu)勢明顯，因?yàn)樵陉P(guān)斷過程中沒有尾電流可見。SiC MOSFET的這一特性反過來提供了高達(dá)95%的關(guān)斷開關(guān)損耗減少或85%的整體總開關(guān)損耗(圖11)。

通過減少散熱器實(shí)現(xiàn)額外節(jié)省

除了消耗更少的功率外，SiC還由于其改進(jìn)的熱性能，使得熱泵和空調(diào)中的冷卻設(shè)計(jì)更小且成本更低。對于一個(gè)以8 kHz運(yùn)行的25 kW逆變器，使用如Wolfspeed的6開關(guān)WolfPACK這樣的六開關(guān)功率模塊與類似的IGBT模塊相比，散熱器的整體尺寸減少了77%，效率提高了1.1%(圖12)。

這只是逆變器方面，當(dāng)與SiC驅(qū)動的Totem Pole PFC結(jié)合時(shí)，可以觀察到2.6%的組合效率(圖13)。

基于SiC的逆變器顯著減少了系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量，使設(shè)計(jì)者能夠使用更小的散熱器并為空調(diào)和熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)更小、更輕的壓縮機(jī)。

設(shè)計(jì)支持工具降低SiC的入門門檻

針對熱泵和空調(diào)定制的設(shè)計(jì)支持工具可以幫助降低使用SiC設(shè)計(jì)的門檻。這些工具使工程師能夠設(shè)計(jì)出具有最佳功率密度、性能和效率的堅(jiān)固可靠的系統(tǒng)。

例如，圖14展示了Wolfspeed最近發(fā)布的11 kW高效率逆變器參考設(shè)計(jì)(CRD-11DA12N-K)。它采用75 mΩ 1200 V MOSFET，允許系統(tǒng)設(shè)計(jì)者測試SiC在熱泵和空調(diào)壓縮機(jī)逆變器中的優(yōu)勢。該設(shè)計(jì)具有熱性能、電感和諧振操作的特點(diǎn)，并采用簡單的兩級三相拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，具有可定制的固件。

這個(gè)逆變器設(shè)計(jì)可以通過使用40 mΩ 1200 V SiC MOSFET輕松升級到20 kW。與IGBT解決方案相比，SiC解決方案在16 kHz下提供高達(dá)1.7%的效率提升，在32 kHz下提供高達(dá)3.5%的效率提升，即使在較低的dv/dt值下操作以保護(hù)電機(jī)(圖15)。

此外，新發(fā)布的SpeedVal Kit模塊化評估平臺三相主板進(jìn)一步加快了從硅到碳化硅的過渡，提供了一套靈活的構(gòu)建模塊，用于系統(tǒng)性能的電路內(nèi)評估(圖16)。

SpeedVal Kit專為工業(yè)電機(jī)驅(qū)動、熱泵和空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，使設(shè)計(jì)者能夠快速評估和優(yōu)化與行業(yè)領(lǐng)先合作伙伴的門驅(qū)動器配對的碳化硅MOSFET。三相主板還通過靈活的控制選項(xiàng)實(shí)現(xiàn)精確控制和固件開發(fā)，以測試簡單的靜態(tài)負(fù)載或高級電機(jī)控制功能。

SiC升級的節(jié)省和環(huán)境影響

僅在PFC和逆變器中升級加熱和空調(diào)系統(tǒng)對環(huán)境的影響是顯著的。例如，在一個(gè)三相11 kW系統(tǒng)中，消費(fèi)者每年可以節(jié)省至少453 kWh的能源，約合€168歐元，并超過抵消任何系統(tǒng)成本的增加。

這些節(jié)省在考慮設(shè)備的整個(gè)生命周期使用時(shí)尤為顯著。假設(shè)系統(tǒng)持續(xù)15年，消費(fèi)者將節(jié)省6800 kWh，總計(jì)節(jié)省約€2,520歐元。根據(jù)美國環(huán)保署的估計(jì)，這也相當(dāng)于減少了4.8公噸的二氧化碳排放到大氣中，使得SiC成為設(shè)計(jì)下一代熱泵和空調(diào)的更可持續(xù)的選擇。

更簡潔布局的一般設(shè)計(jì)建議

在設(shè)計(jì)PCM時(shí)，建議避免門驅(qū)動電路與MOSFET的漏極之間的重疊。這有助于減少在門驅(qū)動電源回路中誘導(dǎo)外部門-漏極電容Cgd的風(fēng)險(xiǎn)，如圖17左側(cè)所示。

采用這一設(shè)計(jì)建議的好處包括：

更低的開關(guān)損耗

減少門振蕩的風(fēng)險(xiǎn)

更低的電磁干擾(EMI)

另一個(gè)設(shè)計(jì)建議是保持敏感信號遠(yuǎn)離高dv/dt的痕跡。此外，減小開關(guān)節(jié)點(diǎn)痕跡的尺寸可以最小化到直流母線的寄生電容，從而減少開關(guān)損耗和EMI問題(圖16右側(cè))。最后，盡可能最小化門驅(qū)動電路的門回路，并將外部Cgs電容盡可能靠近MOSFET放置。

采用SiC以提高效率和減小尺寸

人們對于提高空調(diào)和熱泵系統(tǒng)效率的需求日益增加。日益嚴(yán)格的效率標(biāo)準(zhǔn)對傳統(tǒng)硅 IGBT 提出了挑戰(zhàn)。

碳化硅是替代硅的極佳材料，可用于直接插入式系統(tǒng)和重新設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，同時(shí)滿足新的效率標(biāo)準(zhǔn)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員只需用碳化硅器件替換硅 IGBT，即可顯著提高效率。使用碳化硅重新設(shè)計(jì)系統(tǒng)還可以顯著縮小整個(gè)系統(tǒng)，因?yàn)樯崞骺煽s小 77%。