碳化硅MOSFET助力暖通空调能效提升解决方案

为了达到空调新能效标准，早日实现国家提倡的“双碳”节能减排重大战略目标，在变频空调使用量及用电量极高的今天，进一步提升暖通空调的能效，具有十分重大的战略意义及经济效益。

近十年，碳化硅MOSFET逐步大批量应用在开关电源、光伏发电、电动汽车以及高铁、电网等领域，可靠性与性价比得到极大的提升与市场的充分验证，大量事实表明，以碳化硅为代表的第三代半导体新时代已经到来。

以碳化硅为代表的新型半导体技术为暖通空调（HVAC）综合性能的提升提供了新的途径，它不仅可以进一步优化系统性能，还能显著提升系统效率，助推暖通空调达到甚至超过新能效标准，使暖通空调具有更高的性价比。

项目介绍：

本项目由华强电子产业研究所成果转化与技术转移服务平台技术方案商提供。

为了应对暖通空调行业新标准，以及电动汽车冬季续航里程焦虑，本项目方案公司提出了一种基于新型功率器件碳化硅MOSFET的压缩机控制器解决思路，并设计了一款16kW级的控制器样机进行验证。

验证结果表明，本项目将SiC MOSFET应用于暖通空调系统，不但可以显著提升系统性能，在性价比方面还更具优势。

节能效果更佳：从下图可知，碳化硅MOSFET没有拐点电压，仅有一定的导通电阻，导通电压与电流成线性关系，因此导通压降和损耗大幅减少。当暖通空调在稳定工况运行时，压缩机控制器将工作在轻载或者超轻载模式下，节能效果更佳。

图1  碳化硅MOSFET与传统硅IGBT导通特性对比

系统效能更高：项目公司研发团队使用开放式功耗与效率iPowerSiM仿真软件，对16kVA压缩机控制器样机进行仿真，该样机使用Wolfspeed公司的一款40mΩ、1200V的碳化硅MOSFET。仿真结果表明，即使在16kHz的高开关频率下，效率也可高达98.6%。

图2 基于iPowerSiM仿真软件的16kW碳化硅控制器功耗与效率仿真

方案样机在提升开关频率的同时，也适当地降低了电压变化率，避免碳化硅高dv/dt带来的轴电流及对绕组绝缘等造成损伤，即使如此，控制器还是可以达到峰值98%的效率，比传统硅IGBT满载时效率高出0.5%，轻载及超轻载效率高出1%-5%。

图3 碳化硅控制器效率曲线及对比

兼容性与成本控制兼顾：为了降低成本，方案样机还采用了空调行业常用的自举（Bootstrap）供电模式，并在具有自主知识产权的电路及控制策略下产生负向电压用于碳化硅栅极驱动，提高了碳化硅MOSFET使用的栅极信赖性，同时又兼顾空调行业的应用习惯、体积与成本控制。

应用场景：

本项目的技术可应用于住宅和商用暖通空调（HVAC）、电动汽车暖通空调系统。

商用暖通空调：该项目方案样机采用的C3M0040120K碳化硅MOSFET成本几乎接近于硅IGBT模块，优于IPM模块，在达到更优性能的同时几乎不增加系统成本，具有极高的使用意义。如果再考虑由于使用碳化硅器件带来散热系统，隔音系统等成本的降低，以及由于高效率低损耗带来的用电量，即最直观的电费下降，方案样机则具有极高的经济价值。

电动汽车应用：电动汽车近年雨后春笋般蓬勃发展，但是冬季电动汽车的续航里程大幅缩减一直被用户诟病，其中原因之一是电动汽车冬季制热功能大多数采用的PTC（Positive Temperature Coefficient）电阻加热器完成的，即使在PTC的COP（Coefficient Of Performance，加热器单位功率制热量）制热能效比接近于1的情况下，还是会有大概30%-50%的电池电量被用于制热，当然会造成续航里程大幅缩短。但是，如果采用了宽温域、高效率的碳化硅热泵空调系统，则可降低60%以上的能效，冬季制热工况下的能效比COP可达2-4，是目前PTC加热方式的数倍，最大可带来25%左右的冬季续航里程的提升。

技术优势：

系统效率提升1%-5%

能量损耗降低40%

开关频率提升100%-200%

死区时间减少60%

节能效果好

自主研发

性能稳定

支持定制化开发

产品样图：

审核编辑 黄昊宇