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通過轉(zhuǎn)移到SiC技術(shù)來獲得暖通空調(diào)更佳的SEER等級

發(fā)布時間:2023-01-31 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】由于能源價格在過去12個月中大幅攀升,無論是企業(yè)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(fā)電量依賴天然氣。而在美國,五分之二的電力來自于天然氣發(fā)電。在歐盟[2] ,各種空間和工業(yè)供暖消耗了約75%的能源,而制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(diào)解決方案的需求日益受到關(guān)注。


由于能源價格在過去12個月中大幅攀升,無論是企業(yè)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(fā)電量依賴天然氣。而在美國,五分之二的電力來自于天然氣發(fā)電。在歐盟[2] ,各種空間和工業(yè)供暖消耗了約75%的能源,而制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(diào)解決方案的需求日益受到關(guān)注。


隨著許多國家禁止使用化石燃料燃燒設(shè)備,新建筑必須安裝電力暖通空調(diào)(HVAC)系統(tǒng)。為了確保這些建筑采用已有的最佳技術(shù),歐洲、北美和中國制定了熱泵和空調(diào)的能效標準。北美的SEER和歐盟的ESEER確定了(歐洲)季節(jié)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(yīng)于季節(jié)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系統(tǒng)可降低30%的功耗。SCOP等級(季節(jié)性能系數(shù))適用于加熱裝置。


暖通空調(diào)基本實施


無論是空調(diào)還是熱泵,HVAC設(shè)備都具有基本相同的電氣構(gòu)造模塊。它們由交流電源供電,需要AC-DC功率因數(shù)校正(PFC)模塊,然后是DC-AC逆變器以便為所選電機供電(圖1)。幾十年來,硅功率半導(dǎo)體器件一直是此類系統(tǒng)的首選組件,通常選擇IGBT和MOSFET來構(gòu)建功率轉(zhuǎn)換器模塊。但是,由于大多數(shù)功率設(shè)計的效率通常都要求在95%以上,因此使用硅器件實現(xiàn)更高效率的途徑變得越來越局限。


通過轉(zhuǎn)移到SiC技術(shù)來獲得暖通空調(diào)更佳的SEER等級

圖1:空調(diào)機組和熱泵的基本電氣實施。


為了解決這一問題,設(shè)計工程師越來越多地轉(zhuǎn)向碳化硅(SiC)器件。寬帶隙(WBG)技術(shù)能夠提供更高的效率、開關(guān)頻率和設(shè)計密度,并且具有更佳的總體性能。通過采用自下而上的設(shè)計方法,分階段或一次性地轉(zhuǎn)移到SiC,可以逐步獲得這些優(yōu)勢。


采用SiC所能夠?qū)崿F(xiàn)的效率改進


SiC帶來的第一個變化是在PFC。在連續(xù)傳導(dǎo)模式(CCM)升壓轉(zhuǎn)換器中,硬換向升壓二極管通常是超快型。然而,由于其反向恢復(fù)特性,特別是當(dāng)開關(guān)頻率和功率密度提高時,該組件是功率損耗的來源之一。如果改用Wolfspeed 650 V C6D系列SiC肖特基二極管[4] ,可顯著降低這些開關(guān)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,對于以5kHz驅(qū)動馬達的4kW壓縮機設(shè)計,可獲得約1.5%的效率提高,相當(dāng)于功耗減少60W。


下一個是優(yōu)化出現(xiàn)在DC-AC逆變器,可用合適的SiC MOSFET器件來取代硅IGBT。Wolfspeed的650V C3M系列SiC MOSFET[5] 可提供顯著的效率改進,導(dǎo)通和關(guān)斷特性損耗達到更低,并且由于導(dǎo)通電阻的改進,使導(dǎo)通損耗更低。在相同的應(yīng)用條件下,這可以帶來約2.2%的效率提高,相當(dāng)于節(jié)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,總體系統(tǒng)效率提高達到3.6%,即減少146W的損耗。就SEER等級而言,這相當(dāng)于提高了?SEER。


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圖2:用SiC器件替換快速二極管可實現(xiàn)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(guān)意味著新拓撲架構(gòu)

當(dāng)然,在現(xiàn)有設(shè)計中簡單地用SiC器件來替換硅開關(guān)并不能實現(xiàn)這些令人興奮新WBG技術(shù)的全部潛力。在高于5kHz的開關(guān)頻率下,基于IGBT的設(shè)計其效率會降低。在PFC中,應(yīng)考慮充分利用SiC特性改進以獲得最佳效果的新拓撲架構(gòu)。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(xiàn),可提供優(yōu)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(zhuǎn)換效率高達99.2%。然而,這一優(yōu)勢必須與增大的設(shè)計復(fù)雜性和更高的總體物料清單(BOM)成本進行權(quán)衡。


通過轉(zhuǎn)移到SiC技術(shù)來獲得暖通空調(diào)更佳的SEER等級

圖3:改變PFC拓撲架構(gòu)可以充分利用SiC技術(shù)的優(yōu)勢。


用SiC開始設(shè)計


當(dāng)從硅器件轉(zhuǎn)向SiC時,功率系統(tǒng)設(shè)計師需要花時間更好地了解這些技術(shù)。由于SiC器件具有在較高頻率下開關(guān)的能力、較低的恢復(fù)特性以及相對于溫度的穩(wěn)定性,必須在受控參考應(yīng)用中操作開關(guān),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、過沖和開關(guān)損耗。該套件還配備有設(shè)計文件,如BOM和原理圖,以及指導(dǎo)設(shè)計師的快速入門視頻。


通過轉(zhuǎn)移到SiC技術(shù)來獲得暖通空調(diào)更佳的SEER等級


通過轉(zhuǎn)移到SiC技術(shù)來獲得暖通空調(diào)更佳的SEER等級


圖4:降壓/升壓評估板(KIT-CRD-3DD065P)使功率系統(tǒng)設(shè)計師能夠?qū)iC 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(shè)計用于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(shè)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(yīng)。該轉(zhuǎn)換器工作在65 kHz,功率因數(shù)>.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(fā)明者,Wolfspeed三十多年來一直在開發(fā)這項技術(shù)。在此期間,SiC已在該領(lǐng)域積累了超過7萬億小時的運行時間。憑借對WBG技術(shù)的堅定承諾,到2024年,對相應(yīng)制造設(shè)施的投資將使產(chǎn)能增加30倍。因此,隨著能源價格上漲,暖通空調(diào)制造商更加重視SiC,以實現(xiàn)超越硅IGBT和MOSFET的更高效率,設(shè)計師和他們的采購團隊現(xiàn)在可以輕松應(yīng)對。


由于市場對持續(xù)上漲的能源成本和可用半導(dǎo)體技術(shù)的擔(dān)憂,這一點至關(guān)重要。消費者和商業(yè)買家都非常關(guān)注運營成本,在尋找新的或替代加熱和制冷設(shè)備時會參考效率標簽。改用SiC可以使現(xiàn)有設(shè)計增加半個SEER等級,而且通過進行完全重新設(shè)計,充分利用SiC的優(yōu)勢,所能夠?qū)崿F(xiàn)的改進可能會更加顯著。隨著已經(jīng)能夠提供廣泛的評估平臺,從各個層面分析,功率系統(tǒng)設(shè)計師都應(yīng)該率先開始轉(zhuǎn)向SiC,以便在激烈的市場競爭之前獲得更多優(yōu)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...

 


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