作者：贸泽电子Mark Patrick
由于能源价格在过去12个月中大幅攀升，无论是企业还是消费者都开始感到巨大压力。在欧洲，2020年至 2021[1]期间，天然气价格上涨了47%。以德国为例，六分之一的发电量依赖天然气。而在美国，五分之二的电力来自于天然气发电。在欧盟[2] ，各种空间和工业供暖消耗了约75%的能源，而制冷需求则占美国总电能消耗的10%[3]，因此，对更高效热泵和空调解决方案的需求日益受到关注。
随着许多国家禁止使用化石燃料燃烧设备，新建筑必须安装电力暖通空调（HVAC）系统。为了确保这些建筑采用已有的最佳技术，欧洲、北美和中国制定了热泵和空调的能效标准。北美的SEER和欧盟的ESEER确定了（欧洲）季节能效比。该评级代表了输出致冷与输入电能的比率（BTU/瓦特），适应于季节性室外温度。这样能够更好地理解该评级，从SEER 9升级到SEER 13系统可降低30%的功耗。SCOP等级（季节性能系数）适用于加热装置。
暖通空调基本实施
无论是空调还是热泵，HVAC设备都具有基本相同的电气构造模块。它们由交流电源供电，需要AC-DC功率因数校正（PFC）模块，然后是DC-AC逆变器以便为所选电机供电（图1）。几十年来，硅功率半导体器件一直是此类系统的首选组件，通常选择IGBT和MOSFET来构建功率转换器模块。但是，由于大多数功率设计的效率通常都要求在95%以上，因此使用硅器件实现更高效率的途径变得越来越局限。
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图1：空调机组和热泵的基本电气实施。 |
为了解决这一问题，设计工程师越来越多地转向碳化硅（SiC）器件。宽带隙（WBG）技术能够提供更高的效率、开关频率和设计密度，并且具有更佳的总体性能。通过采用自下而上的设计方法，分阶段或一次性地转移到SiC，可以逐步获得这些优势。
采用SiC所能够实现的效率改进
SiC带来的第一个变化是在PFC。在连续传导模式（CCM）升压转换器中，硬换向升压二极管通常是超快型。然而，由于其反向恢复特性，特别是当开关频率和功率密度提高时，该组件是功率损耗的来源之一。如果改用Wolfspeed 650 V C6D系列SiC肖特基二极管[4] ，可显著降低这些开关损耗（参见图2）。此外，残存的功率损耗随温度或电流的变化达到最小。因此，对于以5kHz驱动马达的4kW压缩机设计，可获得约1.5%的效率提高，相当于功耗减少60W。
下一个是优化出现在DC-AC逆变器，可用合适的SiC MOSFET器件来取代硅IGBT。Wolfspeed的650V C3M系列SiC MOSFET[5] 可提供显著的效率改进，导通和关断特性损耗达到更低，并且由于导通电阻的改进，使导通损耗更低。在相同的应用条件下，这可以带来约2.2%的效率提高，相当于节省86W功率。如果综合考虑采用SiC肖特基二极管带来的效率改进，总体系统效率提高达到3.6%，即减少146W的损耗。就SEER等级而言，这相当于提高了½SEER。
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图2：用SiC器件替换快速二极管可实现约1.5%的效率提高。此外，将IGBT改换为SiC MOSFET将使总体效率提高3.6%。 |
新功率开关意味着新拓扑架构
当然，在现有设计中简单地用SiC器件来替换硅开关并不能实现这些令人兴奋新WBG技术的全部潜力。在高于5kHz的开关频率下，基于IGBT的设计其效率会降低。在PFC中，应考虑充分利用SiC特性改进以获得最佳效果的新拓扑架构。最具成本效益的PFC拓扑之一是半桥图腾柱（参见图3），其中仅用两个SiC MOSFET和一对PIN二极管来实现，可提供优异的功率密度和高达98.9%的效率。与全桥替代方案相比，其唯一的问题是轻负载效率略低。
无桥图腾柱PFC需要四个SiC MOSFET，但转换效率高达99.2%。然而，这一优势必须与增大的设计复杂性和更高的总体物料清单（BOM）成本进行权衡。
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图3：改变PFC拓扑架构可以充分利用SiC技术的优势。 |
用SiC开始设计
当从硅器件转向SiC时，功率系统设计师需要花时间更好地了解这些技术。由于SiC器件具有在较高频率下开关的能力、较低的恢复特性以及相对于温度的稳定性，必须在受控参考应用中操作开关，以准确了解其工作方式。为了支持这一点，Wolfspeed可提供降压/升压评估板[6] (KIT-CRD-3DD065P)，它具有采用To-247-4封装的两个C3M（C3M0060065K）MOSFET和一个300µH电感器（参见图4），该评估板可在降压或升压模式下工作，输入和输出电压高达450 VDC，功率高达2.5 kW。如果选择其它适用的电感器，则非常适合在高达100 kHz或更高频率下测量时序、过冲和开关损耗。该套件还配备有设计文件，如BOM和原理图，以及指导设计师的快速入门视频。
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图4：降压/升压评估板（KIT-CRD-3DD065P）使功率系统设计师能够将SiC MOSFET快速纳入他们的工作。 |
半桥图腾柱AC-DC拓扑（CRD-02AD065N）也可进行类似评估，它设计用于180VAC至264VAC输入，可在高达2.2kW时提供385VDC输出。这种高效率、80+钛合金设计采用同样的C3M0060065K分立SiC MOSFET，同时具有开尔文连接，以克服封装的寄生效应。该转换器工作在65 kHz，功率因数>.98，峰值效率为98.5%。
SiC：通往更高效HVAC的最佳路径
作为SiC MOSFET的发明者，Wolfspeed三十多年来一直在开发这项技术。在此期间，SiC已在该领域积累了超过7万亿小时的运行时间。凭借对WBG技术的坚定承诺，到2024年，对相应制造设施的投资将使产能增加30倍。因此，随着能源价格上涨，暖通空调制造商更加重视SiC，以实现超越硅IGBT和MOSFET的更高效率，设计师和他们的采购团队现在可以轻松应对。
由于市场对持续上涨的能源成本和可用半导体技术的担忧，这一点至关重要。消费者和商业买家都非常关注运营成本，在寻找新的或替代加热和制冷设备时会参考效率标签。改用SiC可以使现有设计增加半个SEER等级，而且通过进行完全重新设计，充分利用SiC的优势，所能够实现的改进可能会更加显著。随着已经能够提供广泛的评估平台，从各个层面分析，功率系统设计师都应该率先开始转向SiC，以便在激烈的市场竞争之前获得更多优势。
[1] https://www.cleanenergywire.org/factsheets/energy-crunch-what-causes-ris...
[2] https://energy.ec.europa.eu/topics/energy-efficiency/heating-and-cooling_en
[3] https://www.eia.gov/tools/faqs/faq.php?id=1174&t=1
[4] https://www.mouser.com/new/wolfspeed/wolfspeed-650V-sic-diodes/
[5] https://www.mouser.com/new/wolfspeed/wolfspeed-650v-sic-mosfets/
[6] https://www.mouser.com/ProductDetail/Wolfspeed/KIT-CRD-3DD065P?qs=GedFDF...
