碳化硅(SiC)憑借前所未有的效率、增強的耐用性和在最惡劣環境中的卓越性能，正在改變熱泵和空調行業。SiC驅動模塊的解決方案可以滿足新的、更嚴格的能效規定，并且只需對現有設計進行最少的改造或完全采用新的系統設計即可。

國際標準要求提高能效

全球范圍內日益嚴格的熱泵和空調能效標準旨在大幅降低住宅、商業和工業應用中供暖和制冷的環境影響。在美國，供暖和制冷系統的效率是根據一個名為季節性能效比(SEER)的國家標準來衡量的。

從2023年開始，在美國北部地區銷售的所有新型住宅中央空調和空氣源熱泵系統均要求達到至少14的SEER等級。在南部各州，由于制冷占家庭能源消耗的較大份額，因此要求SEER等級至少達到15。

歐洲有一個類似的標準，即歐洲能效比(ESEER)，要求新系統的能效等級必須達到B級或以上。

中國則有GB21455能效標準，要求新設計應追求更高的能效等級，但不得低于5級。圖1展示了美國、歐洲和中國日益嚴格的能效標準。

對于傳統的硅功率半導體器件來說，滿足這些要求是困難的。碳化硅提供了一種簡單、成本效益高的方式來滿足這些標準，同時使整體加熱和冷卻系統更小、功率密度更高且更安靜。

通過簡單的插入式碳化硅器件提高效率

碳化硅分立器件可以輕松地集成到現有的熱泵和空調設計中，從而實現足夠的能效提升，以滿足SEER、ESEER和GB21455標準。圖2展示了熱泵和空調的各種子系統，包括功率轉換(PFC)和逆變器，它們共同為壓縮機供電并提供所需的空氣溫度。

圖3(左)顯示了有源升壓配置中的典型硅基PFC。如圖右側所示，只需將硅二極管替換為650V或1200V(取決于直流母線電壓)的碳化硅(SiC)肖特基二極管，而無需對系統進行重新設計，即可輕松改進此設計。這是一種非常受歡迎的升級方式，可將效率提高0.5%或更高。

與硅二極管不同，650V和1200V的碳化硅肖特基二極管具有零反向恢復電荷(Qrr)。Wolfspeed的C4D 1200V和C3D 650V SiC二極管系列提供了市場上最佳的反向恢復性能(圖4)。如圖所示，這些SiC二極管的性能明顯優于硅整流器。

通過SiC重新設計實現進一步的效率提升

通過將PFC重新設計為半無橋或無橋 totem pole 配置(圖5)，可以進一步最大化碳化硅的性能優勢。半無橋PFC拓撲在快速開關支路上使用兩個SiC 650/750 V MOSFET，在慢速開關支路上使用兩個SiC 650/1200 V二極管(取決于直流鏈路電壓)。這種設計可以使系統效率比基于硅的升壓PFC提高1.5%。

同樣，使用所有SiC MOSFET在快速和慢速開關支路上的全無橋PFC拓撲可以使系統效率比基于硅的升壓PFC提高1.9%。如圖6所示，在一個11 kW壓縮機系統中，以16 kHz的頻率切換，與基于硅的解決方案相比，使用SiC可以使系統的總損耗減少超過50%。

由于硅MOSFET的反向恢復較大(圖7)，它們不適合無橋PFC拓撲，而硅IGBT表現出高開關損耗，需要較低的開關頻率和較大的磁性組件，導致成本更高。

得益于改進的開關性能和更好的熱性能，這種重新設計的方法減少了可聽噪聲，并根據IEC60034-14標準輕松將新的工業電機安裝從IE3過渡到IE4和IE5(圖8)。

逆變器階段重新設計的額外收益

逆變器階段，由6個開關組成，可以通過替換所有現有的IGBT開關輕松升級為全SiC解決方案，如圖9所示。

與典型的IGBT解決方案相比，碳化硅MOSFET提供最低的傳導損耗。圖10展示了1200 V Wolfspeed SiC MOSFET與傳統IGBT的傳導損耗。SiC MOSFET在30%負載下提供50%的傳導損耗減少，在半負載下提供30%的傳導損耗減少。

當比較1200 V SiC MOSFET的開關與典型的1200 V IGBT時，超低開關損耗的優勢明顯，因為在關斷過程中沒有尾電流可見。SiC MOSFET的這一特性反過來提供了高達95%的關斷開關損耗減少或85%的整體總開關損耗(圖11)。

通過減少散熱器實現額外節省

除了消耗更少的功率外，SiC還由于其改進的熱性能，使得熱泵和空調中的冷卻設計更小且成本更低。對于一個以8 kHz運行的25 kW逆變器，使用如Wolfspeed的6開關WolfPACK這樣的六開關功率模塊與類似的IGBT模塊相比，散熱器的整體尺寸減少了77%，效率提高了1.1%(圖12)。

這只是逆變器方面，當與SiC驅動的Totem Pole PFC結合時，可以觀察到2.6%的組合效率(圖13)。

基于SiC的逆變器顯著減少了系統產生的熱量，使設計者能夠使用更小的散熱器并為空調和熱泵系統設計更小、更輕的壓縮機。

設計支持工具降低SiC的入門門檻

針對熱泵和空調定制的設計支持工具可以幫助降低使用SiC設計的門檻。這些工具使工程師能夠設計出具有最佳功率密度、性能和效率的堅固可靠的系統。

例如，圖14展示了Wolfspeed最近發布的11 kW高效率逆變器參考設計(CRD-11DA12N-K)。它采用75 mΩ 1200 V MOSFET，允許系統設計者測試SiC在熱泵和空調壓縮機逆變器中的優勢。該設計具有熱性能、電感和諧振操作的特點，并采用簡單的兩級三相拓撲結構，具有可定制的固件。

這個逆變器設計可以通過使用40 mΩ 1200 V SiC MOSFET輕松升級到20 kW。與IGBT解決方案相比，SiC解決方案在16 kHz下提供高達1.7%的效率提升，在32 kHz下提供高達3.5%的效率提升，即使在較低的dv/dt值下操作以保護電機(圖15)。

此外，新發布的SpeedVal Kit模塊化評估平臺三相主板進一步加快了從硅到碳化硅的過渡，提供了一套靈活的構建模塊，用于系統性能的電路內評估(圖16)。

SpeedVal Kit專為工業電機驅動、熱泵和空調系統設計，使設計者能夠快速評估和優化與行業領先合作伙伴的門驅動器配對的碳化硅MOSFET。三相主板還通過靈活的控制選項實現精確控制和固件開發，以測試簡單的靜態負載或高級電機控制功能。

SiC升級的節省和環境影響

僅在PFC和逆變器中升級加熱和空調系統對環境的影響是顯著的。例如，在一個三相11 kW系統中，消費者每年可以節省至少453 kWh的能源，約合€168歐元，并超過抵消任何系統成本的增加。

這些節省在考慮設備的整個生命周期使用時尤為顯著。假設系統持續15年，消費者將節省6800 kWh，總計節省約€2,520歐元。根據美國環保署的估計，這也相當于減少了4.8公噸的二氧化碳排放到大氣中，使得SiC成為設計下一代熱泵和空調的更可持續的選擇。

更簡潔布局的一般設計建議

在設計PCM時，建議避免門驅動電路與MOSFET的漏極之間的重疊。這有助于減少在門驅動電源回路中誘導外部門-漏極電容Cgd的風險，如圖17左側所示。

采用這一設計建議的好處包括：

更低的開關損耗

減少門振蕩的風險

更低的電磁干擾(EMI)

另一個設計建議是保持敏感信號遠離高dv/dt的痕跡。此外，減小開關節點痕跡的尺寸可以最小化到直流母線的寄生電容，從而減少開關損耗和EMI問題(圖16右側)。最后，盡可能最小化門驅動電路的門回路，并將外部Cgs電容盡可能靠近MOSFET放置。

采用SiC以提高效率和減小尺寸

人們對于提高空調和熱泵系統效率的需求日益增加。日益嚴格的效率標準對傳統硅 IGBT 提出了挑戰。

碳化硅是替代硅的極佳材料，可用于直接插入式系統和重新設計的系統，同時滿足新的效率標準。系統設計人員只需用碳化硅器件替換硅 IGBT，即可顯著提高效率。使用碳化硅重新設計系統還可以顯著縮小整個系統，因為散熱器可縮小 77%。