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SiC MOSFET 有助于提高 HVAC 的能效

关键词:SiC MOSFET HVAC 宽禁带半导体

时间:2022-01-20 10:14:51      来源:网络

近十年来,SiC MOSFET逐渐大量应用于开关电源、光伏发电、电动汽车、高铁、电网等各个领域,其可靠性和性价比得到了显着提升,并得到市场充分验证。大量事实表明,以SiC为代表的第三代半导体时代已经到来。

本文编译自EETimes,作者深圳市鹏源电子有限公司

2030年前实现碳峰值、2060年前实现碳中和,是中国政府深思熟虑后作出的重要战略决策,也是构建人类命运共同体的必然选择。节能减排、低碳发展已成为行业的新趋势。

在暖通空调(HVAC)行业,新能效标准已于2020年7月1日正式执行。从新旧标准对比可以看出,新标准已提升至更高的层次,对暖通空调行业的节能技术提出了更高的要求。暖通空调行业能效水平的提升也对工程师提出了新的挑战。 HVAC系统已经成熟使用多年,能源效率想要提高1%就需要付出相当多的成本。


图1 暖通空调新旧能效标准对比

近十年来,SiC MOSFET逐渐大量应用于开关电源、光伏发电、电动汽车、高铁、电网等各个领域,其可靠性和性价比得到了显着提升,并得到市场充分验证。大量事实表明,以SiC为代表的第三代半导体时代已经到来。

以SiC为代表的半导体新技术为HVAC综合性能的提升提供了新途径,不仅能够优化HVAC系统的性能,而且能够显着提高系统效率,推动HVAC达到甚至超过新的能效标准,使暖通空调达到更高的性价比。

众所周知,与硅相比,第三代半导体SiC在元素性能上具有明显优势。但由于没有像传统硅材料那样大量生产,价格仍然是瓶颈。由于 Wolfspeed 将完成全球首条 8 英寸 SiC 生产线,SiC MOSFET 价格大幅下跌。深圳市鹏源电子有限公司研发了一台16kW的研发样机。结果表明,将SiC MOSFET用于HVAC系统,不仅可以提高系统性能,而且具有性价比优势。

与传统的硅 IGBT 相比,SiC MOSFET 的开关功耗仅为十分之一,导通电阻下降也非常显着,可以适当提高压缩机控制器的开关频率。该样机将开关频率提升至16kHz,超出了人耳的聆听频率范围,显着降低了人耳可听到的刺耳电磁噪声。从图2可以看出,SiC MOSFET没有拐点电压,只有一定的导通电阻,而且导通电压与电流成线性关系,因此导通压降和功耗显着降低。当暖通空调在稳定工况下运行时,压缩机控制器将工作在轻载或超轻载模式,达到更好的节能效果。


图 2 SiC MOSFET 与传统硅 IGBT 的导通特性比较

深圳市鹏源电子使用iPowerSiM功耗和效率仿真软件对16kVA压缩机控制器的样机进行仿真,该样机采用Wolfspeed公司的40mΩ、1200V SiC MOSFET。仿真结果表明,在 16kHz 的高开关频率下,效率也可能高达 98.6%。


图3 基于iPowerSiM仿真软件的16kW SiC控制器功耗与效率仿真

为降低成本,方案中的样机采用空调行业常见的Bootstrap供电方式,在具有知识产权和控制策略的电路中产生负电压,驱动SiC MOSFET,提高了SiC MOSFET栅极可靠性,还要考虑空调行业的使用习惯、体积和成本控制。


图4 SiC压缩机控制器样机

对于方案中的样机,提高了开关频率,同时适当降低了电压变化率,避免了电机轴承、绕组等绝缘层上SiC的高dv/dt造成的共模电流损坏。但控制器仍能实现高达98%的峰值效率,比传统硅IGBT满载高0.5%,轻载和超轻载效率则高1%-5%(如图所示))。


图5 SiC控制器效率曲线及对比

最后,样品的开关频率基于 SiC MOSFET 的整机频率为 16kHz,比传统 IGBT 提高 1-2 倍,死区时间减少一半以上,从而降低了系统补偿的难度,实现了更好的输出电流波形。该系统显着降低了人耳可闻的电磁噪声,具有更好的NVH(Noise(噪声)、Vibration(振动)和Harshness(舒适性)),可降低隔音系统的设计难度要求和成本。


图 6 基于 SiC 的压缩机控制器的优势

采用SiC MOSFET的样机可以提高系统效率1%-5%,降低热扩散设计的要求和成本,改善电机的谐波电流、转矩波动和动态响应等。目前方案中用于样机的C3M0040120K SiC MOSFET的成本几乎与硅IGBT模块的成本相当,优于IPM模块,并且在不增加系统成本的情况下可以获得更好的性能,这意味着相当高的商业化价值。如果使用 SiC 器件来降低热扩散系统和隔音系统的成本,并因效率高、能耗低而降低电费,最直观的是电费,那么方案中的样机具有更高的经济性价值。

根据彭博新能源财经(BNEF)的研究,2018年全球住宅和商用空调用电量高达1932亿千瓦时,其中中国占比34%,居全球第一。如果以平均2%的能效提升率换算,可节电400亿千瓦时,几乎相当于三峡大坝年发电量的一半。为此,为实现空调新能效标准目标,实现国家倡导的节能减排的重大战略目标,快速提高当今暖通空调的能效,具有重大的战略意义和经济效益。其中变频空调使用率最高,用电量最大。

另外一个领域是电动汽车,近年来发展迅猛,但冬季续航里程明显减少,一直受到用户的诟病,主要是因为电动汽车冬季的取暖功能大多由电驱动完成。 PTC(Positive Temperature Coefficient)电阻加热器,虽然PTC的COP(Coefficient Of Performance)加热能效比接近1,但仍有约30%-50%的电池容量用于加热,这无疑大大缩短续航里程。

但是,如果采用宽温域、高效率的碳化硅热泵空调系统,可以降低60%以上的能耗,冬季采暖工况下的能效比COP可达2-4,是目前 PTC 加热模式的数倍, 最多可提高冬季续航里程约 25%, 远高于 5-10%的提升——这是SiC 用于电动汽车的MCU(电机控制单元)中的效能提升。


图7 荣威Ei5热泵与PTC在制热能耗测试中的对比(数据来自网络)

此外,采用碳化硅热泵空调,充分利用车内外冷热交换原理,冬季可利用电机、铁芯和电池为整车供暖,实现废热的循环再利用,从而进一步减少浪费。


图8 汽车热泵热管理系统(图片来自网络)

目前,特斯拉Model Y、宝马i3、大众新e-Golf车型、奔驰EQC车型、奥迪R8 e-tron电动版,以及比亚迪、上汽、广汽新能源、蔚来等已宣布使用或未来使用热泵空调系统。


图9 奥迪R8 e-tron电动车热泵空调系统(图片来自网络)

随着第三代半导体的爆发式增长,产能的增加将与成本的大幅下降同步,碳化硅MOSFET在热泵空调中的应用将提高电动汽车冬季续航里程,缓解续航里程用户的焦虑,在传统暖通空调的应用中,将显着提升暖通空调的性能和效率,减少系统产生的热量和用电量,从而为践行碳达峰,碳中和的战略目标提供新的途径。

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