【導讀】由於能源價格在過去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於天然氣發電。在歐盟[2] ，各種空間和工業供暖消耗了約75%的能源
，而製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。

由於能源價格在過去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於天然氣發電。在歐盟[2] ，各種空間和工業供暖消耗了約75%的能源，而製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

，新建築必須安裝電力暖通空調（HVAC）係統。為了確保這些建築采用已有的最佳技術
，歐洲、北美和中國製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），適應於季節性室外溫度。這樣能夠更好地理解該評級，從SEER 9升級到SEER 13係統可降低30%的功耗。SCOP等級（季節性能係數）適用於加熱裝置。

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，然後是DC-AC逆變器以便為所選電機供電（圖1）。幾十年來
，矽功率半導體器件一直是此類係統的首選組件
，通常選擇IGBT和MOSFET來構建功率轉換器模塊。但是，由於大多數功率設計的效率通常都要求在95%以上，因此使用矽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矽（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，並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sheng壓ya轉zhuan換huan器qi中zhong，硬ying換huan向xiang升sheng壓ya二er極ji管guan通tong常chang是shi超chao快kuai型xing。然ran而er，由you於yu其qi反fan向xiang恢hui複fu特te性xing，特te別bie是shi當dang開kai關guan頻pin率lv和he功gong率lv密mi度du提ti高gao時shi，該gai組zu件jian是shi功gong率lv損sun耗hao的de來lai源yuan之zhi一yi。如ru果guo改gai用yongWolfspeed 650 V C6D係列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，對於以5kHz驅動馬達的4kW壓縮機設計，可獲得約1.5%的效率提高
，相當於功耗減少60W。

下一個是優化出現在DC-AC逆變器，可用合適的SiC MOSFET器件來取代矽IGBT。Wolfspeed的650V C3M係列SiC MOSFET[5] 可(ke)提(ti)供(gong)顯(xian)著(zhu)的(de)效(xiao)率(lv)改(gai)進(jin)，導(dao)通(tong)和(he)關(guan)斷(duan)特(te)性(xing)損(sun)耗(hao)達(da)到(dao)更(geng)低(di)，並(bing)且(qie)由(you)於(yu)導(dao)通(tong)電(dian)阻(zu)的(de)改(gai)進(jin)，使(shi)導(dao)通(tong)損(sun)耗(hao)更(geng)低(di)。在(zai)相(xiang)同(tong)的(de)應(ying)用(yong)條(tiao)件(jian)下(xia)，這(zhe)可(ke)以(yi)帶(dai)來(lai)約(yue)2.2%的效率提高，相當於節省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，總體係統效率提高達到3.6%，即減少146W的損耗。就SEER等級而言，這相當於提高了½SEER。

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器件來替換矽開關並不能實現這些令人興奮新WBG技術的全部潛力。在高於5kHz的開關頻率下
，基於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複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

當從矽器件轉向SiC時，功率係統設計師需要花時間更好地了解這些技術。由於SiC器件具有在較高頻率下開關的能力、較低的恢複特性以及相對於溫度的穩定性
，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
、過衝和開關損耗。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。

圖4：降壓/升壓評估板（KIT-CRD-3DD065P）使功率係統設計師能夠將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

，它設計用於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，對相應製造設施的投資將使產能增加30倍。因此
，隨著能源價格上漲
，暖通空調製造商更加重視SiC
，以實現超越矽IGBT和MOSFET的更高效率，設計師和他們的采購團隊現在可以輕鬆應對。

由(you)於(yu)市(shi)場(chang)對(dui)持(chi)續(xu)上(shang)漲(zhang)的(de)能(neng)源(yuan)成(cheng)本(ben)和(he)可(ke)用(yong)半(ban)導(dao)體(ti)技(ji)術(shu)的(de)擔(dan)憂(you)，這(zhe)一(yi)點(dian)至(zhi)關(guan)重(zhong)要(yao)。消(xiao)費(fei)者(zhe)和(he)商(shang)業(ye)買(mai)家(jia)都(dou)非(fei)常(chang)關(guan)注(zhu)運(yun)營(ying)成(cheng)本(ben)
，在(zai)尋(xun)找(zhao)新(xin)的(de)或(huo)替(ti)代(dai)加(jia)熱(re)和(he)製(zhi)冷(leng)設(she)備(bei)時(shi)會(hui)參(can)考(kao)效(xiao)率(lv)標(biao)簽(qian)。改(gai)用(yong)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(de)優(you)勢(shi)
，所(suo)能(neng)夠(gou)實(shi)現(xian)的(de)改(gai)進(jin)可(ke)能(neng)會(hui)更(geng)加(jia)顯(xian)著(zhu)。隨(sui)著(zhe)已(yi)經(jing)能(neng)夠(gou)提(ti)供(gong)廣(guang)泛(fan)的(de)評(ping)估(gu)平(ping)台(tai)，從(cong)各(ge)個(ge)層(ceng)麵(mian)分(fen)析(xi)，功(gong)率(lv)係(xi)統(tong)設(she)計(ji)師(shi)都(dou)應(ying)該(gai)率(lv)先(xian)開(kai)始(shi)轉(zhuan)向(xiang)SiC，以便在激烈的市場競爭之前獲得更多優勢。

[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...

免責聲明：本文為轉載文章，轉載此文目的在於傳遞更多信息
，版權歸原作者所有。本文所用視頻、圖片、文字如涉及作品版權問題，請聯係小編進行處理。

推薦閱讀：

如何選擇合適可編程交流電源

控製電源啟動及關斷時序

直接數字合成技術（DDS）

基於MPY634的有效值電路設計

高壓放大器將庫侖計數器範圍擴展至±270V