【導讀】碳化硅可在極其嚴苛的環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行業。隨著全球氣溫不斷升高，人們需要制定更嚴格的能效規范。使用碳化硅解決方案，可只需對現有設計進行最小限度的改造，或者也可進行全新的系統設計，即可滿足這些規范的要求。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設計中的技術考慮因素和實際應用。
簡介
碳化硅可在極其嚴苛的環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行業。隨著全球氣溫不斷升高，人們需要制定更嚴格的能效規范。使用碳化硅解決方案，可只需對現有設計進行最小限度的改造，或者也可進行全新的系統設計，即可滿足這些規范的要求。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設計中的技術考慮因素和實際應用。
不斷提高的效率標準推動系統持續演進
在美國，根據一項稱為“季節能效比 (SEER)” 的國家標準來衡量加熱和冷卻系統的效率。從 2023 年開始，在美國銷售的所有新住宅中央空調和空氣源熱泵系統的 SEER（季節能效比）等級在北部各州不得低于 14，在南部各州不得低于 15（因為在南部各州，冷卻系統所消耗的能源在家庭能源使用量中所占的比例較高）。
歐洲的類似標準為 ESEER（歐洲能效比），其要求新設計的系統的能效比達到 B 級或以上，才能在注重節能的市場上保持競爭力。中國的 GB21455 能效標準要求新設計的產品具有較高能效等級，不得低于 5 級。
圖 1 展示了美國、歐洲和中國所采用的日益嚴格的標準。傳統功率半導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準的簡單且經濟高效的方法，可使整個加熱和冷卻系統體積更小、功率密度更高、噪音更低。
利用簡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有熱泵和空調設計中，從而充分提高效率，以滿足 SEER、ESEER 和 GB21455 標準。圖 2 展示了熱泵和空調的各個子系統，包括功率轉換 (PFC) 和逆變器，它們協同工作為壓縮機賦能，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計系統的情況下，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 PFC。這是一種非常流行的升級方法，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性能，這與市場上的任何硅二極管形成了鮮明對比（圖 4）。
使用碳化硅進行重新設計可進一步提高效率
通過將 PFC 重新設計為半無橋或無橋圖騰柱配置（圖 5），可以進一步充分發揮碳化硅的性能優勢。
通過在快速開關支腳上使用兩個碳化硅 650 / 750 V MOSFET、在慢速開關支腳上使用兩個碳化硅 650 / 1200 V 二極管（具體取決于直流鏈路電壓）實現半無橋 PFC 拓撲，可將系統效率提高 1.5%（與硅基升壓 PFC 相比）。
同樣，通過在快速和慢速開關支腳上全部使用碳化硅 MOSFET 實現全無橋 PFC 拓撲，可將系統效率提高 1.9%（與硅基升壓 PFC 相比）。例如，通過在開關頻率為 16 kHz 的 11 kW 壓縮機系統中使用碳化硅（圖 6），可將系統總損耗降低 50% 以上（與硅基解決方案相比）。
硅 MOSFET 由于反向恢復大而不太適合無橋 PFC 拓撲（圖 7），而硅 IGBT 的開關損耗高，因此需要更低開關頻率和更大磁性元件，從而導致解決方案成本更高。
根據 IEC60034-14 標準，這種重新設計方法可提高開關性能和熱性能，降低可聞噪音，并能夠輕松將新工業電機裝置從（國際效率）IE3 過渡到 IE4 和 IE5 規范要求（圖 8）。
逆變器級重新設計所帶來的額外提升
通過更換現有的全部 IGBT 開關，可將由 6 個開關組成的逆變器級輕松升級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 具有最低的導通損耗。下圖顯示了 1200 V Wolfspeed 碳化硅 MOSFET 與傳統 IGBT 的導通損耗。在低負載情況下，碳化硅 MOSFET 在 30% 負載時可將導通損耗降低 50%，在 50% 負載時可將導通損耗降低 30%（圖 10）。
1200 V 碳化硅 MOSFET 的開關與典型 1200 V IGBT 相比，由于在關斷過程中沒有尾電流，因此其超低開關損耗的優勢顯而易見。碳化硅 MOSFET 的這一特性可將關斷開關損耗降低多達 95%，或將總開關損耗降低 85%（圖 11）。
減小散熱器以實現更多節省
除了功耗更低之外，碳化硅還能改善熱性能，使熱泵和空調的冷卻設計更小、成本更低。對于工作頻率為 8 kHz 的 25 kW 逆變器，通過使用 Wolfspeed 的 6 開關 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現的，當與采用碳化硅的圖騰柱 PFC 相結合時，綜合效率可達到 2.6%（圖 12）。
基于碳化硅的逆變器可顯著減少系統產生的熱量，從而使設計人員能夠使用更小型的散熱器，并設計出適用于空調和熱泵系統且整體更小型、更輕量的壓縮機。
設計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量身定制的一套設計支持工具，有助于降低開始使用碳化硅進行設計的門檻，并加快整個系統優化過程。
Wolfspeed 最近發布的 11 kW 高效逆變器參考設計 (CRD-11DA12N-K)（圖 14）采用 Wolfspeed 的 75 mΩ 1200 V MOSFET，提供了一個理想的平臺，用于測試碳化硅在熱泵和空調壓縮機逆變器中的優勢。該設計具有熱學、電感和電路工作特性，采用簡單的 2 級三相拓撲結構，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 值下運行（以保護電機）時，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 1.5% 和 3.0%，優于 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計升級至 20 kW (CRD-20DA12N-K)。
最新發布的三相主板基于 Wolfspeed 的 SpeedVal? 套件模塊化評估平臺打造而成，通過一套靈活的構建模塊，進一步加快從硅到碳化硅的轉型，從而對系統性能進行電路內評估。SpeedVal 套件為工業電機驅動、熱泵和空調系統而設計，使設計人員能夠快速評估和優化與業界領先合作伙伴提供的柵極驅動器配合使用的碳化硅 MOSFET。通過靈活的控制選項，該三相主板還支持精確控制和固件開發，以測試簡單靜態負載或高級電機控制功能。
實現節能并改善環境影響
僅僅是通過在 PFC 和逆變器中使用碳化硅來升級加熱和空調系統而改善的環境影響就已經非常顯著。以三相 11 kW 系統為例，消費者每年預計可節省至少 453 千瓦時能源，約合 168 歐元，這足以抵消系統成本的增加。如果考慮到設備的整個使用期限，這些節能效果尤為顯著。假設系統使用 15 年，消費者將節省 6,800 千瓦時能源，總計約 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，碳化硅是用于設計下一代熱泵和空調且更具可持續性的理想之選。
*(www.epa.gov)
關于更清潔布局的通用設計建議
建議設計人員注意避免柵極驅動器電路與 MOSFET 漏極之間的重疊（圖 16a）。這有助于降低柵極驅動電源回路中產生外部 Cgd 的風險。優點包括：降低開關損耗；降低柵極振蕩風險；降低電磁干擾。
使敏感信號遠離高 dv/dt 跡線。通過減小開關節點跡線的尺寸，可將直流母線的寄生電容降至最低，從而減少開關損耗和電磁干擾問題。（圖 16b）
盡可能減小柵極驅動器電路的柵極回路，并將外部 Cgs 電容置于盡可能靠近 MOSFET 的位置。
總結
隨著全球氣溫的升高，人們越來越需要使用更環保的解決方案來應對氣候變化。正如我們所展示的，在設計住宅、工業和商業應用場景中的下一代熱泵和空調時，碳化硅是更具可持續性的理想選擇。
Wolfspeed 的 11 kW 高效逆變器參考設計 (CRD-11DA12N-K 和 CRD-20DA12N-K) 功率高達 11 kW 和 20 kW，可用作展現碳化硅強大功能的指導工具，助您輕松超越新的能效標準；通過這一參考設計，可輕松進行碳化硅設計，享受前所未有的便捷。您甚至可以使用我們的在線 SpeedFit? 設計仿真工具進行各種設計挑戰仿真、利用 SpeedVal 評估平臺快速制作原型并進行測試，或者在我們的功率應用在線討論平臺上直接聯系我們的碳化硅專家。
關于 Wolfspeed, Inc.
Wolfspeed（美國紐約證券交易所上市代碼: WOLF）引領碳化硅（SiC）技術在全球市場的采用。我們為高效能源節約和可持續未來提供業界領先的解決方案。Wolfspeed 產品家族包括了 SiC 材料、功率器件，針對電動汽車、快速充電、可再生能源和儲能等多種應用。我們通過勤勉工作、合作以及對于創新的熱情，開啟更多可能。
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