使用碳化硅(SiC)来应对空调和热泵的高温挑战

碳化硅(SiC)凭借前所未有的效率、增强的耐用性和在最恶劣环境中的卓越性能，正在改变热泵和空调行业。SiC驱动模块的解决方案可以满足新的、更严格的能效规定，并且只需对现有设计进行最少的改造或完全采用新的系统设计即可。

 

国际标准要求提高能效

 

全球范围内日益严格的热泵和空调能效标准旨在大幅降低住宅、商业和工业应用中供暖和制冷的环境影响。在美国，供暖和制冷系统的效率是根据一个名为季节性能效比(SEER)的国家标准来衡量的。

 

从2023年开始，在美国北部地区销售的所有新型住宅中央空调和空气源热泵系统均要求达到至少14的SEER等级。在南部各州，由于制冷占家庭能源消耗的较大份额，因此要求SEER等级至少达到15。

图1

 

欧洲有一个类似的标准，即欧洲能效比(ESEER)，要求新系统的能效等级必须达到B级或以上。

 

中国则有GB21455能效标准，要求新设计应追求更高的能效等级，但不得低于5级。图1展示了美国、欧洲和中国日益严格的能效标准。

 

对于传统的硅功率半导体器件来说，满足这些要求是困难的。碳化硅提供了一种简单、成本效益高的方式来满足这些标准，同时使整体加热和冷却系统更小、功率密度更高且更安静。

 

通过简单的插入式碳化硅器件提高效率

 

碳化硅分立器件可以轻松地集成到现有的热泵和空调设计中，从而实现足够的能效提升，以满足SEER、ESEER和GB21455标准。图2展示了热泵和空调的各种子系统，包括功率转换(PFC)和逆变器，它们共同为压缩机供电并提供所需的空气温度。

图2

 

图3(左)显示了有源升压配置中的典型硅基PFC。如图右侧所示，只需将硅二极管替换为650V或1200V(取决于直流母线电压)的碳化硅(SiC)肖特基二极管，而无需对系统进行重新设计，即可轻松改进此设计。这是一种非常受欢迎的升级方式，可将效率提高0.5%或更高。

图3

 

与硅二极管不同，650V和1200V的碳化硅肖特基二极管具有零反向恢复电荷(Qrr)。Wolfspeed的C4D 1200V和C3D 650V SiC二极管系列提供了市场上最佳的反向恢复性能(图4)。如图所示，这些SiC二极管的性能明显优于硅整流器。

图4

 

通过SiC重新设计实现进一步的效率提升

通过将PFC重新设计为半无桥或无桥 totem pole 配置(图5)，可以进一步最大化碳化硅的性能优势。半无桥PFC拓扑在快速开关支路上使用两个SiC 650/750 V MOSFET，在慢速开关支路上使用两个SiC 650/1200 V二极管(取决于直流链路电压)。这种设计可以使系统效率比基于硅的升压PFC提高1.5%。

图5

 

同样，使用所有SiC MOSFET在快速和慢速开关支路上的全无桥PFC拓扑可以使系统效率比基于硅的升压PFC提高1.9%。如图6所示，在一个11 kW压缩机系统中，以16 kHz的频率切换，与基于硅的解决方案相比，使用SiC可以使系统的总损耗减少超过50%。

图6

 

由于硅MOSFET的反向恢复较大(图7)，它们不适合无桥PFC拓扑，而硅IGBT表现出高开关损耗，需要较低的开关频率和较大的磁性组件，导致成本更高。

图7

 

得益于改进的开关性能和更好的热性能，这种重新设计的方法减少了可听噪声，并根据IEC60034-14标准轻松将新的工业电机安装从IE3过渡到IE4和IE5(图8)。

图8

 

逆变器阶段重新设计的额外收益

逆变器阶段，由6个开关组成，可以通过替换所有现有的IGBT开关轻松升级为全SiC解决方案，如图9所示。

图9

 

与典型的IGBT解决方案相比，碳化硅MOSFET提供最低的传导损耗。图10展示了1200 V Wolfspeed SiC MOSFET与传统IGBT的传导损耗。SiC MOSFET在30%负载下提供50%的传导损耗减少，在半负载下提供30%的传导损耗减少。

图10

 

当比较1200 V SiC MOSFET的开关与典型的1200 V IGBT时，超低开关损耗的优势明显，因为在关断过程中没有尾电流可见。SiC MOSFET的这一特性反过来提供了高达95%的关断开关损耗减少或85%的整体总开关损耗(图11)。

图11

 

通过减少散热器实现额外节省

除了消耗更少的功率外，SiC还由于其改进的热性能，使得热泵和空调中的冷却设计更小且成本更低。对于一个以8 kHz运行的25 kW逆变器，使用如Wolfspeed的6开关WolfPACK这样的六开关功率模块与类似的IGBT模块相比，散热器的整体尺寸减少了77%，效率提高了1.1%(图12)。

图12

 

这只是逆变器方面，当与SiC驱动的Totem Pole PFC结合时，可以观察到2.6%的组合效率(图13)。

图13

 

基于SiC的逆变器显著减少了系统产生的热量，使设计者能够使用更小的散热器并为空调和热泵系统设计更小、更轻的压缩机。

 

设计支持工具降低SiC的入门门槛

针对热泵和空调定制的设计支持工具可以帮助降低使用SiC设计的门槛。这些工具使工程师能够设计出具有最佳功率密度、性能和效率的坚固可靠的系统。

例如，图14展示了Wolfspeed最近发布的11 kW高效率逆变器参考设计(CRD-11DA12N-K)。它采用75 mΩ 1200 V MOSFET，允许系统设计者测试SiC在热泵和空调压缩机逆变器中的优势。该设计具有热性能、电感和谐振操作的特点，并采用简单的两级三相拓扑结构，具有可定制的固件。

图14

 

这个逆变器设计可以通过使用40 mΩ 1200 V SiC MOSFET轻松升级到20 kW。与IGBT解决方案相比，SiC解决方案在16 kHz下提供高达1.7%的效率提升，在32 kHz下提供高达3.5%的效率提升，即使在较低的dv/dt值下操作以保护电机(图15)。

图15

 

此外，新发布的SpeedVal Kit模块化评估平台三相主板进一步加快了从硅到碳化硅的过渡，提供了一套灵活的构建模块，用于系统性能的电路内评估(图16)。

图16

 

SpeedVal Kit专为工业电机驱动、热泵和空调系统设计，使设计者能够快速评估和优化与行业领先合作伙伴的门驱动器配对的碳化硅MOSFET。三相主板还通过灵活的控制选项实现精确控制和固件开发，以测试简单的静态负载或高级电机控制功能。

 

SiC升级的节省和环境影响

仅在PFC和逆变器中升级加热和空调系统对环境的影响是显著的。例如，在一个三相11 kW系统中，消费者每年可以节省至少453 kWh的能源，约合€168欧元，并超过抵消任何系统成本的增加。

这些节省在考虑设备的整个生命周期使用时尤为显著。假设系统持续15年，消费者将节省6800 kWh，总计节省约€2,520欧元。根据美国环保署的估计，这也相当于减少了4.8公吨的二氧化碳排放到大气中，使得SiC成为设计下一代热泵和空调的更可持续的选择。

 

更简洁布局的一般设计建议

在设计PCM时，建议避免门驱动电路与MOSFET的漏极之间的重叠。这有助于减少在门驱动电源回路中诱导外部门-漏极电容Cgd的风险，如图17左侧所示。

图17

 

采用这一设计建议的好处包括：

更低的开关损耗

减少门振荡的风险

更低的电磁干扰(EMI)

 

另一个设计建议是保持敏感信号远离高dv/dt的痕迹。此外，减小开关节点痕迹的尺寸可以最小化到直流母线的寄生电容，从而减少开关损耗和EMI问题(图16右侧)。最后，尽可能最小化门驱动电路的门回路，并将外部Cgs电容尽可能靠近MOSFET放置。

 

采用SiC以提高效率和减小尺寸

人们对于提高空调和热泵系统效率的需求日益增加。日益严格的效率标准对传统硅 IGBT 提出了挑战。

碳化硅是替代硅的极佳材料，可用于直接插入式系统和重新设计的系统，同时满足新的效率标准。系统设计人员只需用碳化硅器件替换硅 IGBT，即可显著提高效率。使用碳化硅重新设计系统还可以显著缩小整个系统，因为散热器可缩小 77%。