通過轉(zhuǎn)移到SiC技術(shù)來獲得暖通空調(diào)更佳的SEER等級

作者：貿(mào)澤電子Mark Patrick

由于能源價格在過去12個月中大幅攀升，無論是企業(yè)還是消費者都開始感到巨大壓力。在歐洲，2020年至 2021[1]期間，天然氣價格上漲了47%。以德國為例，六分之一的發(fā)電量依賴天然氣。而在美國，五分之二的電力來自于天然氣發(fā)電。在歐盟[2] ，各種空間和工業(yè)供暖消耗了約75%的能源，而制冷需求則占美國總電能消耗的10%[3]，因此，對更高效熱泵和空調(diào)解決方案的需求日益受到關(guān)注。

隨著許多國家禁止使用化石燃料燃燒設(shè)備，新建筑必須安裝電力暖通空調(diào)（HVAC）系統(tǒng)。為了確保這些建筑采用已有的最佳技術(shù)，歐洲、北美和中國制定了熱泵和空調(diào)的能效標(biāo)準(zhǔn)。北美的SEER和歐盟的ESEER確定了（歐洲）季節(jié)能效比。該評級代表了輸出致冷與輸入電能的比率（BTU/瓦特），適應(yīng)于季節(jié)性室外溫度。這樣能夠更好地理解該評級，從SEER 9升級到SEER 13系統(tǒng)可降低30%的功耗。SCOP等級（季節(jié)性能系數(shù)）適用于加熱裝置。

暖通空調(diào)基本實施

無論是空調(diào)還是熱泵，HVAC設(shè)備都具有基本相同的電氣構(gòu)造模塊。它們由交流電源供電，需要AC-DC功率因數(shù)校正（PFC）模塊，然后是DC-AC逆變器以便為所選電機(jī)供電（圖1）。幾十年來，硅功率半導(dǎo)體器件一直是此類系統(tǒng)的首選組件，通常選擇IGBT和MOSFET來構(gòu)建功率轉(zhuǎn)換器模塊。但是，由于大多數(shù)功率設(shè)計的效率通常都要求在95%以上，因此使用硅器件實現(xiàn)更高效率的途徑變得越來越局限。

圖1：空調(diào)機(jī)組和熱泵的基本電氣實施。

為了解決這一問題，設(shè)計工程師越來越多地轉(zhuǎn)向碳化硅（SiC）器件。寬帶隙（WBG）技術(shù)能夠提供更高的效率、開關(guān)頻率和設(shè)計密度，并且具有更佳的總體性能。通過采用自下而上的設(shè)計方法，分階段或一次性地轉(zhuǎn)移到SiC，可以逐步獲得這些優(yōu)勢。

采用SiC所能夠?qū)崿F(xiàn)的效率改進(jìn)

SiC帶來的第一個變化是在PFC。在連續(xù)傳導(dǎo)模式（CCM）升壓轉(zhuǎn)換器中，硬換向升壓二極管通常是超快型。然而，由于其反向恢復(fù)特性，特別是當(dāng)開關(guān)頻率和功率密度提高時，該組件是功率損耗的來源之一。如果改用Wolfspeed 650 V C6D系列SiC肖特基二極管[4] ，可顯著降低這些開關(guān)損耗（參見圖2）。此外，殘存的功率損耗隨溫度或電流的變化達(dá)到最小。因此，對于以5kHz驅(qū)動馬達(dá)的4kW壓縮機(jī)設(shè)計，可獲得約1.5%的效率提高，相當(dāng)于功耗減少60W。

下一個是優(yōu)化出現(xiàn)在DC-AC逆變器，可用合適的SiC MOSFET器件來取代硅IGBT。Wolfspeed的650V C3M系列SiC MOSFET[5] 可提供顯著的效率改進(jìn)，導(dǎo)通和關(guān)斷特性損耗達(dá)到更低，并且由于導(dǎo)通電阻的改進(jìn)，使導(dǎo)通損耗更低。在相同的應(yīng)用條件下，這可以帶來約2.2%的效率提高，相當(dāng)于節(jié)省86W功率。如果綜合考慮采用SiC肖特基二極管帶來的效率改進(jìn)，總體系統(tǒng)效率提高達(dá)到3.6%，即減少146W的損耗。就SEER等級而言，這相當(dāng)于提高了?SEER。

圖2：用SiC器件替換快速二極管可實現(xiàn)約1.5%的效率提高。此外，將IGBT改換為SiC MOSFET將使總體效率提高3.6%。

新功率開關(guān)意味著新拓?fù)浼軜?gòu)

當(dāng)然，在現(xiàn)有設(shè)計中簡單地用SiC器件來替換硅開關(guān)并不能實現(xiàn)這些令人興奮新WBG技術(shù)的全部潛力。在高于5kHz的開關(guān)頻率下，基于IGBT的設(shè)計其效率會降低。在PFC中，應(yīng)考慮充分利用SiC特性改進(jìn)以獲得最佳效果的新拓?fù)浼軜?gòu)。最具成本效益的PFC拓?fù)渲皇前霕驁D騰柱（參見圖3），其中僅用兩個SiC MOSFET和一對PIN二極管來實現(xiàn)，可提供優(yōu)異的功率密度和高達(dá)98.9%的效率。與全橋替代方案相比，其唯一的問題是輕負(fù)載效率略低。

無橋圖騰柱PFC需要四個SiC MOSFET，但轉(zhuǎn)換效率高達(dá)99.2%。然而，這一優(yōu)勢必須與增大的設(shè)計復(fù)雜性和更高的總體物料清單（BOM）成本進(jìn)行權(quán)衡。

圖3：改變PFC拓?fù)浼軜?gòu)可以充分利用SiC技術(shù)的優(yōu)勢。

用SiC開始設(shè)計

當(dāng)從硅器件轉(zhuǎn)向SiC時，功率系統(tǒng)設(shè)計師需要花時間更好地了解這些技術(shù)。由于SiC器件具有在較高頻率下開關(guān)的能力、較低的恢復(fù)特性以及相對于溫度的穩(wěn)定性，必須在受控參考應(yīng)用中操作開關(guān)，以準(zhǔn)確了解其工作方式。為了支持這一點，Wolfspeed可提供降壓/升壓評估板[6] (KIT-CRD-3DD065P)，它具有采用To-247-4封裝的兩個C3M（C3M0060065K）MOSFET和一個300μH電感器（參見圖4），該評估板可在降壓或升壓模式下工作，輸入和輸出電壓高達(dá)450 VDC，功率高達(dá)2.5 kW。如果選擇其它適用的電感器，則非常適合在高達(dá)100 kHz或更高頻率下測量時序、過沖和開關(guān)損耗。該套件還配備有設(shè)計文件，如BOM和原理圖，以及指導(dǎo)設(shè)計師的快速入門視頻。

圖4：降壓/升壓評估板（KIT-CRD-3DD065P）使功率系統(tǒng)設(shè)計師能夠?qū)iC MOSFET快速納入他們的工作。

半橋圖騰柱AC-DC拓?fù)洌–RD-02AD065N）也可進(jìn)行類似評估，它設(shè)計用于180VAC至264VAC輸入，可在高達(dá)2.2kW時提供385VDC輸出。這種高效率、80+鈦合金設(shè)計采用同樣的C3M0060065K分立SiC MOSFET，同時具有開爾文連接，以克服封裝的寄生效應(yīng)。該轉(zhuǎn)換器工作在65 kHz，功率因數(shù)>.98，峰值效率為98.5%。

SiC：通往更高效HVAC的最佳路徑

作為SiC MOSFET的發(fā)明者，Wolfspeed三十多年來一直在開發(fā)這項技術(shù)。在此期間，SiC已在該領(lǐng)域積累了超過7萬億小時的運行時間。憑借對WBG技術(shù)的堅定承諾，到2024年，對相應(yīng)制造設(shè)施的投資將使產(chǎn)能增加30倍。因此，隨著能源價格上漲，暖通空調(diào)制造商更加重視SiC，以實現(xiàn)超越硅IGBT和MOSFET的更高效率，設(shè)計師和他們的采購團(tuán)隊現(xiàn)在可以輕松應(yīng)對。

由于市場對持續(xù)上漲的能源成本和可用半導(dǎo)體技術(shù)的擔(dān)憂，這一點至關(guān)重要。消費者和商業(yè)買家都非常關(guān)注運營成本，在尋找新的或替代加熱和制冷設(shè)備時會參考效率標(biāo)簽。改用SiC可以使現(xiàn)有設(shè)計增加半個SEER等級，而且通過進(jìn)行完全重新設(shè)計，充分利用SiC的優(yōu)勢，所能夠?qū)崿F(xiàn)的改進(jìn)可能會更加顯著。隨著已經(jīng)能夠提供廣泛的評估平臺，從各個層面分析，功率系統(tǒng)設(shè)計師都應(yīng)該率先開始轉(zhuǎn)向SiC，以便在激烈的市場競爭之前獲得更多優(yōu)勢。