碳化硅(SiC)憑借前所未有的效率、增強的耐用性和在最惡劣環(huán)境中的卓越性能，正在改變熱泵和空調行業(yè)。SiC驅動模塊的解決方案可以滿足新的、更嚴格的能效規(guī)定，并且只需對現有設計進行最少的改造或完全采用新的系統(tǒng)設計即可。

國際標準要求提高能效

全球范圍內日益嚴格的熱泵和空調能效標準旨在大幅降低住宅、商業(yè)和工業(yè)應用中供暖和制冷的環(huán)境影響。在美國，供暖和制冷系統(tǒng)的效率是根據一個名為季節(jié)性能效比(SEER)的國家標準來衡量的。

從2023年開始，在美國北部地區(qū)銷售的所有新型住宅中央空調和空氣源熱泵系統(tǒng)均要求達到至少14的SEER等級。在南部各州，由于制冷占家庭能源消耗的較大份額，因此要求SEER等級至少達到15。

歐洲有一個類似的標準，即歐洲能效比(ESEER)，要求新系統(tǒng)的能效等級必須達到B級或以上。

中國則有GB21455能效標準，要求新設計應追求更高的能效等級，但不得低于5級。圖1展示了美國、歐洲和中國日益嚴格的能效標準。

對于傳統(tǒng)的硅功率半導體器件來說，滿足這些要求是困難的。碳化硅提供了一種簡單、成本效益高的方式來滿足這些標準，同時使整體加熱和冷卻系統(tǒng)更小、功率密度更高且更安靜。

通過簡單的插入式碳化硅器件提高效率

碳化硅分立器件可以輕松地集成到現有的熱泵和空調設計中，從而實現足夠的能效提升，以滿足SEER、ESEER和GB21455標準。圖2展示了熱泵和空調的各種子系統(tǒng)，包括功率轉換(PFC)和逆變器，它們共同為壓縮機供電并提供所需的空氣溫度。

圖3(左)顯示了有源升壓配置中的典型硅基PFC。如圖右側所示，只需將硅二極管替換為650V或1200V(取決于直流母線電壓)的碳化硅(SiC)肖特基二極管，而無需對系統(tǒng)進行重新設計，即可輕松改進此設計。這是一種非常受歡迎的升級方式，可將效率提高0.5%或更高。

與硅二極管不同，650V和1200V的碳化硅肖特基二極管具有零反向恢復電荷(Qrr)。Wolfspeed的C4D 1200V和C3D 650V SiC二極管系列提供了市場上最佳的反向恢復性能(圖4)。如圖所示，這些SiC二極管的性能明顯優(yōu)于硅整流器。

通過SiC重新設計實現進一步的效率提升

通過將PFC重新設計為半無橋或無橋 totem pole 配置(圖5)，可以進一步最大化碳化硅的性能優(yōu)勢。半無橋PFC拓撲在快速開關支路上使用兩個SiC 650/750 V MOSFET，在慢速開關支路上使用兩個SiC 650/1200 V二極管(取決于直流鏈路電壓)。這種設計可以使系統(tǒng)效率比基于硅的升壓PFC提高1.5%。

同樣，使用所有SiC MOSFET在快速和慢速開關支路上的全無橋PFC拓撲可以使系統(tǒng)效率比基于硅的升壓PFC提高1.9%。如圖6所示，在一個11 kW壓縮機系統(tǒng)中，以16 kHz的頻率切換，與基于硅的解決方案相比，使用SiC可以使系統(tǒng)的總損耗減少超過50%。

由于硅MOSFET的反向恢復較大(圖7)，它們不適合無橋PFC拓撲，而硅IGBT表現出高開關損耗，需要較低的開關頻率和較大的磁性組件，導致成本更高。

得益于改進的開關性能和更好的熱性能，這種重新設計的方法減少了可聽噪聲，并根據IEC60034-14標準輕松將新的工業(yè)電機安裝從IE3過渡到IE4和IE5(圖8)。

逆變器階段重新設計的額外收益

逆變器階段，由6個開關組成，可以通過替換所有現有的IGBT開關輕松升級為全SiC解決方案，如圖9所示。

與典型的IGBT解決方案相比，碳化硅MOSFET提供最低的傳導損耗。圖10展示了1200 V Wolfspeed SiC MOSFET與傳統(tǒng)IGBT的傳導損耗。SiC MOSFET在30%負載下提供50%的傳導損耗減少，在半負載下提供30%的傳導損耗減少。

當比較1200 V SiC MOSFET的開關與典型的1200 V IGBT時，超低開關損耗的優(yōu)勢明顯，因為在關斷過程中沒有尾電流可見。SiC MOSFET的這一特性反過來提供了高達95%的關斷開關損耗減少或85%的整體總開關損耗(圖11)。

通過減少散熱器實現額外節(jié)省

除了消耗更少的功率外，SiC還由于其改進的熱性能，使得熱泵和空調中的冷卻設計更小且成本更低。對于一個以8 kHz運行的25 kW逆變器，使用如Wolfspeed的6開關WolfPACK這樣的六開關功率模塊與類似的IGBT模塊相比，散熱器的整體尺寸減少了77%，效率提高了1.1%(圖12)。

這只是逆變器方面，當與SiC驅動的Totem Pole PFC結合時，可以觀察到2.6%的組合效率(圖13)。

基于SiC的逆變器顯著減少了系統(tǒng)產生的熱量，使設計者能夠使用更小的散熱器并為空調和熱泵系統(tǒng)設計更小、更輕的壓縮機。

設計支持工具降低SiC的入門門檻

針對熱泵和空調定制的設計支持工具可以幫助降低使用SiC設計的門檻。這些工具使工程師能夠設計出具有最佳功率密度、性能和效率的堅固可靠的系統(tǒng)。

例如，圖14展示了Wolfspeed最近發(fā)布的11 kW高效率逆變器參考設計(CRD-11DA12N-K)。它采用75 mΩ 1200 V MOSFET，允許系統(tǒng)設計者測試SiC在熱泵和空調壓縮機逆變器中的優(yōu)勢。該設計具有熱性能、電感和諧振操作的特點，并采用簡單的兩級三相拓撲結構，具有可定制的固件。

這個逆變器設計可以通過使用40 mΩ 1200 V SiC MOSFET輕松升級到20 kW。與IGBT解決方案相比，SiC解決方案在16 kHz下提供高達1.7%的效率提升，在32 kHz下提供高達3.5%的效率提升，即使在較低的dv/dt值下操作以保護電機(圖15)。

此外，新發(fā)布的SpeedVal Kit模塊化評估平臺三相主板進一步加快了從硅到碳化硅的過渡，提供了一套靈活的構建模塊，用于系統(tǒng)性能的電路內評估(圖16)。

SpeedVal Kit專為工業(yè)電機驅動、熱泵和空調系統(tǒng)設計，使設計者能夠快速評估和優(yōu)化與行業(yè)領先合作伙伴的門驅動器配對的碳化硅MOSFET。三相主板還通過靈活的控制選項實現精確控制和固件開發(fā)，以測試簡單的靜態(tài)負載或高級電機控制功能。

SiC升級的節(jié)省和環(huán)境影響

僅在PFC和逆變器中升級加熱和空調系統(tǒng)對環(huán)境的影響是顯著的。例如，在一個三相11 kW系統(tǒng)中，消費者每年可以節(jié)省至少453 kWh的能源，約合€168歐元，并超過抵消任何系統(tǒng)成本的增加。

這些節(jié)省在考慮設備的整個生命周期使用時尤為顯著。假設系統(tǒng)持續(xù)15年，消費者將節(jié)省6800 kWh，總計節(jié)省約€2,520歐元。根據美國環(huán)保署的估計，這也相當于減少了4.8公噸的二氧化碳排放到大氣中，使得SiC成為設計下一代熱泵和空調的更可持續(xù)的選擇。

更簡潔布局的一般設計建議

在設計PCM時，建議避免門驅動電路與MOSFET的漏極之間的重疊。這有助于減少在門驅動電源回路中誘導外部門-漏極電容Cgd的風險，如圖17左側所示。

采用這一設計建議的好處包括：

更低的開關損耗

減少門振蕩的風險

更低的電磁干擾(EMI)

另一個設計建議是保持敏感信號遠離高dv/dt的痕跡。此外，減小開關節(jié)點痕跡的尺寸可以最小化到直流母線的寄生電容，從而減少開關損耗和EMI問題(圖16右側)。最后，盡可能最小化門驅動電路的門回路，并將外部Cgs電容盡可能靠近MOSFET放置。

采用SiC以提高效率和減小尺寸

人們對于提高空調和熱泵系統(tǒng)效率的需求日益增加。日益嚴格的效率標準對傳統(tǒng)硅 IGBT 提出了挑戰(zhàn)。

碳化硅是替代硅的極佳材料，可用于直接插入式系統(tǒng)和重新設計的系統(tǒng)，同時滿足新的效率標準。系統(tǒng)設計人員只需用碳化硅器件替換硅 IGBT，即可顯著提高效率。使用碳化硅重新設計系統(tǒng)還可以顯著縮小整個系統(tǒng)，因為散熱器可縮小 77%。