為了達(dá)到空調(diào)新能效標(biāo)準(zhǔn)，早日實現(xiàn)國家提倡的“雙碳”節(jié)能減排重大戰(zhàn)略目標(biāo)，在變頻空調(diào)使用量及用電量極高的今天，進(jìn)一步提升暖通空調(diào)的能效，具有十分重大的戰(zhàn)略意義及經(jīng)濟(jì)效益。

近十年，碳化硅MOSFET逐步大批量應(yīng)用在開關(guān)電源、光伏發(fā)電、電動汽車以及高鐵、電網(wǎng)等領(lǐng)域，可靠性與性價比得到極大的提升與市場的充分驗證，大量事實表明，以碳化硅為代表的第三代半導(dǎo)體新時代已經(jīng)到來。

以碳化硅為代表的新型半導(dǎo)體技術(shù)為暖通空調(diào)（HVAC）綜合性能的提升提供了新的途徑，它不僅可以進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)性能，還能顯著提升系統(tǒng)效率，助推暖通空調(diào)達(dá)到甚至超過新能效標(biāo)準(zhǔn)，使暖通空調(diào)具有更高的性價比。

項目介紹：

本項目由華強(qiáng)電子產(chǎn)業(yè)研究所成果轉(zhuǎn)化與技術(shù)轉(zhuǎn)移服務(wù)平臺技術(shù)方案商提供。

為了應(yīng)對暖通空調(diào)行業(yè)新標(biāo)準(zhǔn)，以及電動汽車冬季續(xù)航里程焦慮，本項目方案公司提出了一種基于新型功率器件碳化硅MOSFET的壓縮機(jī)控制器解決思路，并設(shè)計了一款16kW級的控制器樣機(jī)進(jìn)行驗證。

驗證結(jié)果表明，本項目將SiC MOSFET應(yīng)用于暖通空調(diào)系統(tǒng)，不但可以顯著提升系統(tǒng)性能，在性價比方面還更具優(yōu)勢。

節(jié)能效果更佳：從下圖可知，碳化硅MOSFET沒有拐點電壓，僅有一定的導(dǎo)通電阻，導(dǎo)通電壓與電流成線性關(guān)系，因此導(dǎo)通壓降和損耗大幅減少。當(dāng)暖通空調(diào)在穩(wěn)定工況運(yùn)行時，壓縮機(jī)控制器將工作在輕載或者超輕載模式下，節(jié)能效果更佳。

圖1 碳化硅MOSFET與傳統(tǒng)硅IGBT導(dǎo)通特性對比

系統(tǒng)效能更高：項目公司研發(fā)團(tuán)隊使用開放式功耗與效率iPowerSiM仿真軟件，對16kVA壓縮機(jī)控制器樣機(jī)進(jìn)行仿真，該樣機(jī)使用Wolfspeed公司的一款40mΩ、1200V的碳化硅MOSFET。仿真結(jié)果表明，即使在16kHz的高開關(guān)頻率下，效率也可高達(dá)98.6%。

圖2基于iPowerSiM仿真軟件的16kW碳化硅控制器功耗與效率仿真

方案樣機(jī)在提升開關(guān)頻率的同時，也適當(dāng)?shù)亟档土穗妷鹤兓剩苊馓蓟韪遜v/dt帶來的軸電流及對繞組絕緣等造成損傷，即使如此，控制器還是可以達(dá)到峰值98%的效率，比傳統(tǒng)硅IGBT滿載時效率高出0.5%，輕載及超輕載效率高出1%-5%。

圖3碳化硅控制器效率曲線及對比

兼容性與成本控制兼顧：為了降低成本，方案樣機(jī)還采用了空調(diào)行業(yè)常用的自舉（Bootstrap）供電模式，并在具有自主知識產(chǎn)權(quán)的電路及控制策略下產(chǎn)生負(fù)向電壓用于碳化硅柵極驅(qū)動，提高了碳化硅MOSFET使用的柵極信賴性，同時又兼顧空調(diào)行業(yè)的應(yīng)用習(xí)慣、體積與成本控制。

應(yīng)用場景：

本項目的技術(shù)可應(yīng)用于住宅和商用暖通空調(diào)（HVAC）、電動汽車暖通空調(diào)系統(tǒng)。

商用暖通空調(diào)：該項目方案樣機(jī)采用的C3M0040120K碳化硅MOSFET成本幾乎接近于硅IGBT模塊，優(yōu)于IPM模塊，在達(dá)到更優(yōu)性能的同時幾乎不增加系統(tǒng)成本，具有極高的使用意義。如果再考慮由于使用碳化硅器件帶來散熱系統(tǒng)，隔音系統(tǒng)等成本的降低，以及由于高效率低損耗帶來的用電量，即最直觀的電費(fèi)下降，方案樣機(jī)則具有極高的經(jīng)濟(jì)價值。

電動汽車應(yīng)用：電動汽車近年雨后春筍般蓬勃發(fā)展，但是冬季電動汽車的續(xù)航里程大幅縮減一直被用戶詬病，其中原因之一是電動汽車冬季制熱功能大多數(shù)采用的PTC（Positive Temperature Coefficient）電阻加熱器完成的，即使在PTC的COP（Coefficient Of Performance，加熱器單位功率制熱量）制熱能效比接近于1的情況下，還是會有大概30%-50%的電池電量被用于制熱，當(dāng)然會造成續(xù)航里程大幅縮短。但是，如果采用了寬溫域、高效率的碳化硅熱泵空調(diào)系統(tǒng)，則可降低60%以上的能效，冬季制熱工況下的能效比COP可達(dá)2-4，是目前PTC加熱方式的數(shù)倍，最大可帶來25%左右的冬季續(xù)航里程的提升。

技術(shù)優(yōu)勢：

系統(tǒng)效率提升1%-5%

能量損耗降低40%

開關(guān)頻率提升100%-200%

死區(qū)時間減少60%

節(jié)能效果好

自主研發(fā)

性能穩(wěn)定

支持定制化開發(fā)

產(chǎn)品樣圖：

審核編輯 黃昊宇