目前全球每年銷(xiāo)售約2.2億臺(tái)冰箱和冰柜，2024年市場(chǎng)規(guī)模約為750億美元。預(yù)計(jì)該市場(chǎng)將以6.27%的年復(fù)合增長(zhǎng)率持續(xù)增長(zhǎng)，到2032年將達(dá)到約1200億美元。當(dāng)前冰箱壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)主要采用兩種硅基技術(shù)：一種是IGBT，另一種是高壓(HV)MOSFET。

在這兩種技術(shù)中，高壓MOSFET的采用正在加速，這主要得益于兩大趨勢(shì)。第一個(gè)趨勢(shì)是冰箱壓縮機(jī)系統(tǒng)的變頻化，通過(guò)采用變頻技術(shù)提高冰箱壓縮機(jī)的效率、性能和壽命。

對(duì)更高能效的需求

傳統(tǒng)壓縮機(jī)以固定速度運(yùn)行，通過(guò)不斷啟停來(lái)維持所需溫度。這種啟停循環(huán)會(huì)導(dǎo)致能源浪費(fèi)。相比之下，變頻壓縮機(jī)根據(jù)制冷需求調(diào)整速度，在需要較少制冷時(shí)以更低速度持續(xù)運(yùn)行，具有節(jié)能、溫度穩(wěn)定、降噪和延長(zhǎng)壓縮機(jī)壽命等優(yōu)勢(shì)。這一趨勢(shì)推動(dòng)了對(duì)高壓MOSFET等性能優(yōu)化的分立器件的需求，而非IGBT。第二個(gè)趨勢(shì)是對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和元件選擇提出更嚴(yán)格的法規(guī)要求。

到2026年，中國(guó)將實(shí)施新的能效標(biāo)準(zhǔn)，這將推動(dòng)幾乎所有冰箱優(yōu)化設(shè)計(jì)以滿(mǎn)足該標(biāo)準(zhǔn)，并增加變頻比例以提高能效。總而言之，供應(yīng)商必須尋找更創(chuàng)新的方法來(lái)提高變頻階段的效率，尤其是在輕載運(yùn)行時(shí)。英飛凌的新型CoolMOS 8正是針對(duì)這一現(xiàn)代挑戰(zhàn)，在成本競(jìng)爭(zhēng)力和高性能之間取得平衡，以滿(mǎn)足低能耗的要求。

冰箱運(yùn)行模式

在冰箱的使用壽命中，主要有三種運(yùn)行模式。第一種是100%功率的快速降溫模式。冰箱從環(huán)境溫度開(kāi)始啟動(dòng)，壓縮機(jī)以最大功率運(yùn)行進(jìn)行降溫。這種情況在冰箱的使用壽命中只發(fā)生幾次，例如新冰箱首次通電或移動(dòng)到新位置時(shí)。

第二種是約50%功率的額定負(fù)載運(yùn)行。當(dāng)冰箱門(mén)打開(kāi)，人們存放或取用食物時(shí)，壓縮機(jī)以較高功率運(yùn)行以保持冷卻。這實(shí)際上取決于每個(gè)家庭的使用頻率，例如每天開(kāi)門(mén)約10次，每次10秒。第三種是約20%功率的輕載運(yùn)行。

當(dāng)門(mén)關(guān)閉時(shí)，壓縮機(jī)以低功率運(yùn)行以維持溫度。這占使用壽命的絕大部分，約95%。因此，輕載時(shí)的效率對(duì)于冰箱運(yùn)行的節(jié)能最為關(guān)鍵。為了提高能效并獲得更高的能源之星評(píng)級(jí)，冰箱制造商更加重視提高輕載效率。

CoolMOS 8

英飛凌最新的600 V CoolMOS 8(CM8)在高壓超結(jié)MOSFET技術(shù)領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位，為技術(shù)和性?xún)r(jià)比樹(shù)立了新標(biāo)準(zhǔn)。該系列配備了集成快速體二極管，提供更低的反向恢復(fù)電荷，適用于硬開(kāi)關(guān)電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用。通過(guò).xT封裝互連技術(shù)，熱阻改善了高達(dá)50%，與上一代PFD7系列相比，具有更好的熱性能。它滿(mǎn)足Class 2級(jí)別的ESD HBM分類(lèi)，這是家電設(shè)計(jì)中必備的要求。

評(píng)估平臺(tái)

為了更好地評(píng)估不同技術(shù)在冰箱壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中的性能，我們使用了圖1中英飛凌的參考板。這是一塊專(zhuān)為三相旋轉(zhuǎn)冰箱壓縮機(jī)設(shè)計(jì)的單層PCB，沒(méi)有散熱器。它采用IMD111T[5]運(yùn)行，這是一款內(nèi)置微控制器和三相柵極驅(qū)動(dòng)器的智能驅(qū)動(dòng)器。被測(cè)器件是六個(gè)分立功率開(kāi)關(guān)，可以是IGBT或高壓MOSFET。

圖2顯示了測(cè)試平臺(tái)的設(shè)置。輸入采用300 V直流電源。功率表分別用于測(cè)量輸入直流功率、輸出交流功率和輔助功率。熱電偶連接到低側(cè)中間相晶體管器件的殼體以監(jiān)測(cè)殼體溫度。被測(cè)器件的效率可以表示為η = 交流功率/(直流功率-輔助功率)×100%。

效率測(cè)量

評(píng)估中包括了幾種器件技術(shù)：英飛凌的600 V/600 mΩ CM8 MOSFET、600 V/600 mΩ PFD7 MOSFET、600 V/6 A RCD2 IGBT，以及一款競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的600 V/600 mΩ MOSFET。所有器件均采用相同的DPAK封裝，該封裝在此應(yīng)用中已被廣泛采用。冰箱驅(qū)動(dòng)的典型開(kāi)關(guān)頻率為4 kHz至6 kHz。因此，評(píng)估中采用了5 kHz三相SVPWM方案。電路板置于保持25°C環(huán)境溫度的封閉空間中。功率測(cè)試從輕載30W到滿(mǎn)載300W。效率曲線如圖3所示。

從測(cè)量中可以看出，MOSFET在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)的效率均高于IGBT，從而在所有冰箱運(yùn)行模式下提供更好的節(jié)能效果。效率在100W時(shí)達(dá)到峰值，CM8在所有對(duì)比技術(shù)中以98.5%的峰值效率位居榜首。在輕載60W(20%負(fù)載)時(shí)，CM8效率為98.4%，而RCD2 IGBT僅為97.2%，CM8領(lǐng)先IGBT 1.2%。在10%負(fù)載時(shí)，CM8的優(yōu)勢(shì)更為明顯，領(lǐng)先IGBT 1.6%。在滿(mǎn)載時(shí)，CM8提供97.2%的效率，仍領(lǐng)先IGBT 1.2%。

與上一代PFD7相比，CM8在20%輕載時(shí)效率提升0.2%，在100%滿(mǎn)載時(shí)提升0.6%。CM8在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)領(lǐng)先競(jìng)爭(zhēng)高壓MOSFET 0.6%至1%。

圖4顯示了不同負(fù)載條件下的殼體溫度測(cè)量?？梢钥闯?，這很好地反映了效率測(cè)量結(jié)果，CM8在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)的溫度讀數(shù)最低。這也意味著與其他技術(shù)相比，CM8在冰箱使用壽命期間的運(yùn)行更為可靠。

我們還測(cè)試了3kHz和10kHz的額外開(kāi)關(guān)頻率以展示CM8的能力，效率曲線如圖5所示?；旧希l率變化對(duì)輕載效率的影響更大，因?yàn)殚_(kāi)關(guān)損耗更為突出。如果在輕載時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)頻率變化，將獲得更高的效率提升。

結(jié)論

本文研究并比較了幾種功率器件技術(shù)在冰箱壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中的效率。通過(guò)這些測(cè)量，CM8被證明是最佳選擇，其在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)的損耗最低，與IGBT解決方案相比效率提升1.2%至1.6%。采用CM8后，冰箱的能耗將大幅降低，并滿(mǎn)足更高能源之星評(píng)級(jí)的要求。