【導(dǎo)讀】碳化硅可在極其嚴(yán)苛的環(huán)境中提供前所未有的高效率、更高耐用性和卓越性能，從而徹底變革熱泵和空調(diào)行業(yè)。隨著全球氣溫不斷升高，人們需要制定更嚴(yán)格的能效規(guī)范。使用碳化硅解決方案，可只需對(duì)現(xiàn)有設(shè)計(jì)進(jìn)行最小限度的改造，或者也可進(jìn)行全新的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，即可滿足這些規(guī)范的要求。本文將介紹碳化硅分立解決方案和功率模塊在住宅和商用熱泵及空調(diào)設(shè)計(jì)中的技術(shù)考慮因素和實(shí)際應(yīng)用。
簡(jiǎn)介
碳化硅可在極其嚴(yán)苛的環(huán)境中提供前所未有的高效率、更高耐用性和卓越性能，從而徹底變革熱泵和空調(diào)行業(yè)。隨著全球氣溫不斷升高，人們需要制定更嚴(yán)格的能效規(guī)范。使用碳化硅解決方案，可只需對(duì)現(xiàn)有設(shè)計(jì)進(jìn)行最小限度的改造，或者也可進(jìn)行全新的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，即可滿足這些規(guī)范的要求。本文將介紹碳化硅分立解決方案和功率模塊在住宅和商用熱泵及空調(diào)設(shè)計(jì)中的技術(shù)考慮因素和實(shí)際應(yīng)用。
不斷提高的效率標(biāo)準(zhǔn)推動(dòng)系統(tǒng)持續(xù)演進(jìn)
在美國(guó)，根據(jù)一項(xiàng)稱為“季節(jié)能效比 (SEER)” 的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)來衡量加熱和冷卻系統(tǒng)的效率。從 2023 年開始，在美國(guó)銷售的所有新住宅中央空調(diào)和空氣源熱泵系統(tǒng)的 SEER（季節(jié)能效比）等級(jí)在北部各州不得低于 14，在南部各州不得低于 15（因?yàn)樵谀喜扛髦?，冷卻系統(tǒng)所消耗的能源在家庭能源使用量中所占的比例較高）。
歐洲的類似標(biāo)準(zhǔn)為 ESEER（歐洲能效比），其要求新設(shè)計(jì)的系統(tǒng)的能效比達(dá)到 B 級(jí)或以上，才能在注重節(jié)能的市場(chǎng)上保持競(jìng)爭(zhēng)力。中國(guó)的 GB21455 能效標(biāo)準(zhǔn)要求新設(shè)計(jì)的產(chǎn)品具有較高能效等級(jí)，不得低于 5 級(jí)。
圖 1 展示了美國(guó)、歐洲和中國(guó)所采用的日益嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)。傳統(tǒng)功率半導(dǎo)體器件很難滿足這些要求。碳化硅提供了一種可滿足這些標(biāo)準(zhǔn)的簡(jiǎn)單且經(jīng)濟(jì)高效的方法，可使整個(gè)加熱和冷卻系統(tǒng)體積更小、功率密度更高、噪音更低。
利用簡(jiǎn)單的即插即用式碳化硅器件提高效率
碳化硅分立器件便于集成到現(xiàn)有熱泵和空調(diào)設(shè)計(jì)中，從而充分提高效率，以滿足 SEER、ESEER 和 GB21455 標(biāo)準(zhǔn)。圖 2 展示了熱泵和空調(diào)的各個(gè)子系統(tǒng)，包括功率轉(zhuǎn)換 (PFC) 和逆變器，它們協(xié)同工作為壓縮機(jī)賦能，并提供所需的空氣溫度。
圖 3 顯示了有源升壓配置中的典型硅基 PFC，以及如何在不重新設(shè)計(jì)系統(tǒng)的情況下，通過將硅二極管更換為 650 V 或 1200 V（具體取決于直流母線電壓）碳化硅肖特基二極管來輕松改進(jìn) PFC。這是一種非常流行的升級(jí)方法，可將效率提高約 0.5% 甚至更多。
與硅二極管相比，Wolfspeed 的 650 V 和 1200 V 肖特基二極管可提供零反向恢復(fù)電荷 (Qrr)。Wolfspeed 的 C4D 1200 V 和 C3D 650 V 碳化硅二極管系列具有卓越反向恢復(fù)性能，這與市場(chǎng)上的任何硅二極管形成了鮮明對(duì)比（圖 4）。
使用碳化硅進(jìn)行重新設(shè)計(jì)可進(jìn)一步提高效率
通過將 PFC 重新設(shè)計(jì)為半無橋或無橋圖騰柱配置（圖 5），可以進(jìn)一步充分發(fā)揮碳化硅的性能優(yōu)勢(shì)。
通過在快速開關(guān)支腳上使用兩個(gè)碳化硅 650 / 750 V MOSFET、在慢速開關(guān)支腳上使用兩個(gè)碳化硅 650 / 1200 V 二極管（具體取決于直流鏈路電壓）實(shí)現(xiàn)半無橋 PFC 拓?fù)?，可將系統(tǒng)效率提高 1.5%（與硅基升壓 PFC 相比）。
同樣，通過在快速和慢速開關(guān)支腳上全部使用碳化硅 MOSFET 實(shí)現(xiàn)全無橋 PFC 拓?fù)洌蓪⑾到y(tǒng)效率提高 1.9%（與硅基升壓 PFC 相比）。例如，通過在開關(guān)頻率為 16 kHz 的 11 kW 壓縮機(jī)系統(tǒng)中使用碳化硅（圖 6），可將系統(tǒng)總損耗降低 50% 以上（與硅基解決方案相比）。
硅 MOSFET 由于反向恢復(fù)大而不太適合無橋 PFC 拓?fù)洌▓D 7），而硅 IGBT 的開關(guān)損耗高，因此需要更低開關(guān)頻率和更大磁性元件，從而導(dǎo)致解決方案成本更高。
根據(jù) IEC60034-14 標(biāo)準(zhǔn)，這種重新設(shè)計(jì)方法可提高開關(guān)性能和熱性能，降低可聞噪音，并能夠輕松將新工業(yè)電機(jī)裝置從（國(guó)際效率）IE3 過渡到 IE4 和 IE5 規(guī)范要求（圖 8）。
逆變器級(jí)重新設(shè)計(jì)所帶來的額外提升
通過更換現(xiàn)有的全部 IGBT 開關(guān)，可將由 6 個(gè)開關(guān)組成的逆變器級(jí)輕松升級(jí)為全碳化硅解決方案（圖 9）。
與典型的 IGBT 解決方案相比，Wolfspeed 的碳化硅 MOSFET 具有最低的導(dǎo)通損耗。下圖顯示了 1200 V Wolfspeed 碳化硅 MOSFET 與傳統(tǒng) IGBT 的導(dǎo)通損耗。在低負(fù)載情況下，碳化硅 MOSFET 在 30% 負(fù)載時(shí)可將導(dǎo)通損耗降低 50%，在 50% 負(fù)載時(shí)可將導(dǎo)通損耗降低 30%（圖 10）。
1200 V 碳化硅 MOSFET 的開關(guān)與典型 1200 V IGBT 相比，由于在關(guān)斷過程中沒有尾電流，因此其超低開關(guān)損耗的優(yōu)勢(shì)顯而易見。碳化硅 MOSFET 的這一特性可將關(guān)斷開關(guān)損耗降低多達(dá) 95%，或?qū)⒖傞_關(guān)損耗降低 85%（圖 11）。
減小散熱器以實(shí)現(xiàn)更多節(jié)省
除了功耗更低之外，碳化硅還能改善熱性能，使熱泵和空調(diào)的冷卻設(shè)計(jì)更小、成本更低。對(duì)于工作頻率為 8 kHz 的 25 kW 逆變器，通過使用 Wolfspeed 的 6 開關(guān) WolfPACK 模塊，可將散熱器的整體尺寸縮小 77%（圖 13），并將效率提高 1.1%（與類似 IGBT 模塊相比）。這還僅僅是在逆變器一方實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)與采用碳化硅的圖騰柱 PFC 相結(jié)合時(shí)，綜合效率可達(dá)到 2.6%（圖 12）。
基于碳化硅的逆變器可顯著減少系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量，從而使設(shè)計(jì)人員能夠使用更小型的散熱器，并設(shè)計(jì)出適用于空調(diào)和熱泵系統(tǒng)且整體更小型、更輕量的壓縮機(jī)。
設(shè)計(jì)支持工具降低開始使用碳化硅的門檻
Wolfspeed 提供專為熱泵和空調(diào)量身定制的一套設(shè)計(jì)支持工具，有助于降低開始使用碳化硅進(jìn)行設(shè)計(jì)的門檻，并加快整個(gè)系統(tǒng)優(yōu)化過程。
Wolfspeed 最近發(fā)布的 11 kW 高效逆變器參考設(shè)計(jì) (CRD-11DA12N-K)（圖 14）采用 Wolfspeed 的 75 mΩ 1200 V MOSFET，提供了一個(gè)理想的平臺(tái)，用于測(cè)試碳化硅在熱泵和空調(diào)壓縮機(jī)逆變器中的優(yōu)勢(shì)。該設(shè)計(jì)具有熱學(xué)、電感和電路工作特性，采用簡(jiǎn)單的 2 級(jí)三相拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并具有可定制的固件。
與 IGBT 解決方案相比，即使是在較低的 dv/dt 值下運(yùn)行（以保護(hù)電機(jī)）時(shí)，碳化硅解決方案也能夠在 16 kHZ 和 32 kHz 條件下分別將效率提升多達(dá) 1.5% 和 3.0%，優(yōu)于 IGBT 解決方案（圖 15）。通過使用 Wolfspeed 的 40 mΩ C3M0040120K，可輕松將該逆變器設(shè)計(jì)升級(jí)至 20 kW (CRD-20DA12N-K)。
最新發(fā)布的三相主板基于 Wolfspeed 的 SpeedVal? 套件模塊化評(píng)估平臺(tái)打造而成，通過一套靈活的構(gòu)建模塊，進(jìn)一步加快從硅到碳化硅的轉(zhuǎn)型，從而對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行電路內(nèi)評(píng)估。SpeedVal 套件為工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)、熱泵和空調(diào)系統(tǒng)而設(shè)計(jì)，使設(shè)計(jì)人員能夠快速評(píng)估和優(yōu)化與業(yè)界領(lǐng)先合作伙伴提供的柵極驅(qū)動(dòng)器配合使用的碳化硅 MOSFET。通過靈活的控制選項(xiàng)，該三相主板還支持精確控制和固件開發(fā)，以測(cè)試簡(jiǎn)單靜態(tài)負(fù)載或高級(jí)電機(jī)控制功能。
實(shí)現(xiàn)節(jié)能并改善環(huán)境影響
僅僅是通過在 PFC 和逆變器中使用碳化硅來升級(jí)加熱和空調(diào)系統(tǒng)而改善的環(huán)境影響就已經(jīng)非常顯著。以三相 11 kW 系統(tǒng)為例，消費(fèi)者每年預(yù)計(jì)可節(jié)省至少 453 千瓦時(shí)能源，約合 168 歐元，這足以抵消系統(tǒng)成本的增加。如果考慮到設(shè)備的整個(gè)使用期限，這些節(jié)能效果尤為顯著。假設(shè)系統(tǒng)使用 15 年，消費(fèi)者將節(jié)省 6,800 千瓦時(shí)能源，總計(jì)約 2,520 歐元。這也意味著將釋放到大氣中的 CO2 減少 4.8 公噸*。因此，碳化硅是用于設(shè)計(jì)下一代熱泵和空調(diào)且更具可持續(xù)性的理想之選。
*(www.epa.gov)
關(guān)于更清潔布局的通用設(shè)計(jì)建議
建議設(shè)計(jì)人員注意避免柵極驅(qū)動(dòng)器電路與 MOSFET 漏極之間的重疊（圖 16a）。這有助于降低柵極驅(qū)動(dòng)電源回路中產(chǎn)生外部 Cgd 的風(fēng)險(xiǎn)。優(yōu)點(diǎn)包括：降低開關(guān)損耗；降低柵極振蕩風(fēng)險(xiǎn)；降低電磁干擾。
使敏感信號(hào)遠(yuǎn)離高 dv/dt 跡線。通過減小開關(guān)節(jié)點(diǎn)跡線的尺寸，可將直流母線的寄生電容降至最低，從而減少開關(guān)損耗和電磁干擾問題。（圖 16b）
盡可能減小柵極驅(qū)動(dòng)器電路的柵極回路，并將外部 Cgs 電容置于盡可能靠近 MOSFET 的位置。
總結(jié)
隨著全球氣溫的升高，人們?cè)絹碓叫枰褂酶h(huán)保的解決方案來應(yīng)對(duì)氣候變化。正如我們所展示的，在設(shè)計(jì)住宅、工業(yè)和商業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景中的下一代熱泵和空調(diào)時(shí)，碳化硅是更具可持續(xù)性的理想選擇。
Wolfspeed 的 11 kW 高效逆變器參考設(shè)計(jì) (CRD-11DA12N-K 和 CRD-20DA12N-K) 功率高達(dá) 11 kW 和 20 kW，可用作展現(xiàn)碳化硅強(qiáng)大功能的指導(dǎo)工具，助您輕松超越新的能效標(biāo)準(zhǔn)；通過這一參考設(shè)計(jì)，可輕松進(jìn)行碳化硅設(shè)計(jì)，享受前所未有的便捷。您甚至可以使用我們的在線 SpeedFit? 設(shè)計(jì)仿真工具進(jìn)行各種設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)仿真、利用 SpeedVal 評(píng)估平臺(tái)快速制作原型并進(jìn)行測(cè)試，或者在我們的功率應(yīng)用在線討論平臺(tái)上直接聯(lián)系我們的碳化硅專家。
關(guān)于 Wolfspeed, Inc.
Wolfspeed（美國(guó)紐約證券交易所上市代碼: WOLF）引領(lǐng)碳化硅（SiC）技術(shù)在全球市場(chǎng)的采用。我們?yōu)楦咝茉垂?jié)約和可持續(xù)未來提供業(yè)界領(lǐng)先的解決方案。Wolfspeed 產(chǎn)品家族包括了 SiC 材料、功率器件，針對(duì)電動(dòng)汽車、快速充電、可再生能源和儲(chǔ)能等多種應(yīng)用。我們通過勤勉工作、合作以及對(duì)于創(chuàng)新的熱情，開啟更多可能。
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