【導讀】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注。
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注。
隨著許多國家禁止使用化石燃料燃燒設備，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，歐洲、北美和中國制定了熱泵和空調(diào)的能效標準。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供電（圖1）。幾十年來，硅功率半導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)機組和熱泵的基本電氣實施。
為了解決這一問題，設計工程師越來越多地轉(zhuǎn)向碳化硅（SiC）器件。寬帶隙（WBG）技術能夠提供更高的效率、開關頻率和設計密度，并且具有更佳的總體性能。通過采用自下而上的設計方法，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
SiC帶來的第一個變化是在PFC。在連續(xù)傳導模式（CCM）升壓轉(zhuǎn)換器中，硬換向升壓二極管通常是超快型。然而，由于其反向恢復特性，特別是當開關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到最小。因此，對于以5kHz驅(qū)動馬達的4kW壓縮機設計，可獲得約1.5%的效率提高，相當于功耗減少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，導通和關斷特性損耗達到更低，并且由于導通電阻的改進，使導通損耗更低。在相同的應用條件下，這可以帶來約2.2%的效率提高，相當于節(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，總體系統(tǒng)效率提高達到3.6%，即減少146W的損耗。就SEER等級而言，這相當于提高了?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%。
新功率開關意味著新拓撲架構(gòu)
當然，在現(xiàn)有設計中簡單地用SiC器件來替換硅開關并不能實現(xiàn)這些令人興奮新WBG技術的全部潛力。在高于5kHz的開關頻率下，基于IGBT的設計其效率會降低。在PFC中，應考慮充分利用SiC特性改進以獲得最佳效果的新拓撲架構(gòu)。最具成本效益的PFC拓撲之一是半橋圖騰柱（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98.9%的效率。與全橋替代方案相比，其唯一的問題是輕負載效率略低。
無橋圖騰柱PFC需要四個SiC MOSFET，但轉(zhuǎn)換效率高達99.2%。然而，這一優(yōu)勢必須與增大的設計復雜性和更高的總體物料清單（BOM）成本進行權衡。
圖3：改變PFC拓撲架構(gòu)可以充分利用SiC技術的優(yōu)勢。
用SiC開始設計
當從硅器件轉(zhuǎn)向SiC時，功率系統(tǒng)設計師需要花時間更好地了解這些技術。由于SiC器件具有在較高頻率下開關的能力、較低的恢復特性以及相對于溫度的穩(wěn)定性，必須在受控參考應用中操作開關，以準確了解其工作方式。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450 VDC，功率高達2.5 kW。如果選擇其它適用的電感器，則非常適合在高達100 kHz或更高頻率下測量時序、過沖和開關損耗。該套件還配備有設計文件，如BOM和原理圖，以及指導設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)設計師能夠?qū)iC MOSFET快速納入他們的工作。
半橋圖騰柱AC-DC拓撲（CRD-02AD065N）也可進行類似評估，它設計用于180VAC至264VAC輸入，可在高達2.2kW時提供385VDC輸出。這種高效率、80+鈦合金設計采用同樣的C3M0060065K分立SiC MOSFET，同時具有開爾文連接，以克服封裝的寄生效應。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。在此期間，SiC已在該領域積累了超過7萬億小時的運行時間。憑借對WBG技術的堅定承諾，到2024年，對相應制造設施的投資將使產(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，設計師和他們的采購團隊現(xiàn)在可以輕松應對。
由于市場對持續(xù)上漲的能源成本和可用半導體技術的擔憂，這一點至關重要。消費者和商業(yè)買家都非常關注運營成本，在尋找新的或替代加熱和制冷設備時會參考效率標簽。改用SiC可以使現(xiàn)有設計增加半個SEER等級，而且通過進行完全重新設計，充分利用SiC的優(yōu)勢，所能夠?qū)崿F(xiàn)的改進可能會更加顯著。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)設計師都應該率先開始轉(zhuǎn)向SiC，以便在激烈的市場競爭之前獲得更多優(yōu)勢。
[1] https://www.cleanenergywire.org/factsheets/energy-crunch-what-causes-ris...
[2] https://energy.ec.europa.eu/topics/energy-efficiency/heating-and-cooling_en
[3] https://www.eia.gov/tools/faqs/faq.php?id=1174&t=1
[4] https://www.mouser.com/new/wolfspeed/wolfspeed-650V-sic-diodes/
[5] https://www.mouser.com/new/wolfspeed/wolfspeed-650v-sic-mosfets/
[6] https://www.mouser.com/ProductDetail/Wolfspeed/KIT-CRD-3DD065P?qs=GedFDF...
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