作者:貿澤電子Mark Patrick
由于能源價格在過去12個月中大幅攀升,無論是企業還是消費者都開始感到巨大壓力。在歐洲,2020年至 2021[1]期間,天然氣價格上漲了47%。以德國為例,六分之一的發電量依賴天然氣。而在美國,五分之二的電力來自于天然氣發電。在歐盟[2] ,各種空間和工業供暖消耗了約75%的能源,而制冷需求則占美國總電能消耗的10%[3],因此,對更高效熱泵和空調解決方案的需求日益受到關注。
隨著許多國家禁止使用化石燃料燃燒設備,新建筑必須安裝電力暖通空調(HVAC)系統。為了確保這些建筑采用已有的最佳技術,歐洲、北美和中國制定了熱泵和空調的能效標準。北美的SEER和歐盟的ESEER確定了(歐洲)季節能效比。該評級代表了輸出致冷與輸入電能的比率(BTU/瓦特),適應于季節性室外溫度。這樣能夠更好地理解該評級,從SEER 9升級到SEER 13系統可降低30%的功耗。SCOP等級(季節性能系數)適用于加熱裝置。
暖通空調基本實施
無論是空調還是熱泵,HVAC設備都具有基本相同的電氣構造模塊。它們由交流電源供電,需要AC-DC功率因數校正(PFC)模塊,然后是DC-AC逆變器以便為所選電機供電(圖1)。幾十年來,硅功率半導體器件一直是此類系統的首選組件,通常選擇IGBT和MOSFET來構建功率轉換器模塊。但是,由于大多數功率設計的效率通常都要求在95%以上,因此使用硅器件實現更高效率的途徑變得越來越局限。
圖1:空調機組和熱泵的基本電氣實施。 |
為了解決這一問題,設計工程師越來越多地轉向碳化硅(SiC)器件。寬帶隙(WBG)技術能夠提供更高的效率、開關頻率和設計密度,并且具有更佳的總體性能。通過采用自下而上的設計方法,分階段或一次性地轉移到SiC,可以逐步獲得這些優勢。
采用SiC所能夠實現的效率改進
SiC帶來的第一個變化是在PFC。在連續傳導模式(CCM)升壓轉換器中,硬換向升壓二極管通常是超快型。然而,由于其反向恢復特性,特別是當開關頻率和功率密度提高時,該組件是功率損耗的來源之一。如果改用Wolfspeed 650 V C6D系列SiC肖特基二極管[4] ,可顯著降低這些開關損耗(參見圖2)。此外,殘存的功率損耗隨溫度或電流的變化達到最小。因此,對于以5kHz驅動馬達的4kW壓縮機設計,可獲得約1.5%的效率提高,相當于功耗減少60W。
下一個是優化出現在DC-AC逆變器,可用合適的SiC MOSFET器件來取代硅IGBT。Wolfspeed的650V C3M系列SiC MOSFET[5] 可提供顯著的效率改進,導通和關斷特性損耗達到更低,并且由于導通電阻的改進,使導通損耗更低。在相同的應用條件下,這可以帶來約2.2%的效率提高,相當于節省86W功率。如果綜合考慮采用SiC肖特基二極管帶來的效率改進,總體系統效率提高達到3.6%,即減少146W的損耗。就SEER等級而言,這相當于提高了?SEER。
圖2:用SiC器件替換快速二極管可實現約1.5%的效率提高。此外,將IGBT改換為SiC MOSFET將使總體效率提高3.6%。 |
新功率開關意味著新拓撲架構
當然,在現有設計中簡單地用SiC器件來替換硅開關并不能實現這些令人興奮新WBG技術的全部潛力。在高于5kHz的開關頻率下,基于IGBT的設計其效率會降低。在PFC中,應考慮充分利用SiC特性改進以獲得最佳效果的新拓撲架構。最具成本效益的PFC拓撲之一是半橋圖騰柱(參見圖3),其中僅用兩個SiC MOSFET和一對PIN二極管來實現,可提供優異的功率密度和高達98.9%的效率。與全橋替代方案相比,其唯一的問題是輕負載效率略低。
無橋圖騰柱PFC需要四個SiC MOSFET,但轉換效率高達99.2%。然而,這一優勢必須與增大的設計復雜性和更高的總體物料清單(BOM)成本進行權衡。
圖3:改變PFC拓撲架構可以充分利用SiC技術的優勢。 |
用SiC開始設計
當從硅器件轉向SiC時,功率系統設計師需要花時間更好地了解這些技術。由于SiC器件具有在較高頻率下開關的能力、較低的恢復特性以及相對于溫度的穩定性,必須在受控參考應用中操作開關,以準確了解其工作方式。為了支持這一點,Wolfspeed可提供降壓/升壓評估板[6] (KIT-CRD-3DD065P),它具有采用To-247-4封裝的兩個C3M(C3M0060065K)MOSFET和一個300μH電感器(參見圖4),該評估板可在降壓或升壓模式下工作,輸入和輸出電壓高達450 VDC,功率高達2.5 kW。如果選擇其它適用的電感器,則非常適合在高達100 kHz或更高頻率下測量時序、過沖和開關損耗。該套件還配備有設計文件,如BOM和原理圖,以及指導設計師的快速入門視頻。
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圖4:降壓/升壓評估板(KIT-CRD-3DD065P)使功率系統設計師能夠將SiC MOSFET快速納入他們的工作。 |
半橋圖騰柱AC-DC拓撲(CRD-02AD065N)也可進行類似評估,它設計用于180VAC至264VAC輸入,可在高達2.2kW時提供385VDC輸出。這種高效率、80+鈦合金設計采用同樣的C3M0060065K分立SiC MOSFET,同時具有開爾文連接,以克服封裝的寄生效應。該轉換器工作在65 kHz,功率因數>.98,峰值效率為98.5%。
SiC:通往更高效HVAC的最佳路徑
作為SiC MOSFET的發明者,Wolfspeed三十多年來一直在開發這項技術。在此期間,SiC已在該領域積累了超過7萬億小時的運行時間。憑借對WBG技術的堅定承諾,到2024年,對相應制造設施的投資將使產能增加30倍。因此,隨著能源價格上漲,暖通空調制造商更加重視SiC,以實現超越硅IGBT和MOSFET的更高效率,設計師和他們的采購團隊現在可以輕松應對。
由于市場對持續上漲的能源成本和可用半導體技術的擔憂,這一點至關重要。消費者和商業買家都非常關注運營成本,在尋找新的或替代加熱和制冷設備時會參考效率標簽。改用SiC可以使現有設計增加半個SEER等級,而且通過進行完全重新設計,充分利用SiC的優勢,所能夠實現的改進可能會更加顯著。隨著已經能夠提供廣泛的評估平臺,從各個層面分析,功率系統設計師都應該率先開始轉向SiC,以便在激烈的市場競爭之前獲得更多優勢。
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