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通過(guò)轉(zhuǎn)移到SiC技術(shù)來(lái)獲得暖通空調(diào)更佳的SEER等級(jí)

發(fā)布時(shí)間:2023-01-31 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】由于能源價(jià)格在過(guò)去12個(gè)月中大幅攀升,無(wú)論是企業(yè)還是消費(fèi)者都開(kāi)始感到巨大壓力。在歐洲,2020年至 2021[1]期間,天然氣價(jià)格上漲了47%。以德國(guó)為例,六分之一的發(fā)電量依賴天然氣。而在美國(guó),五分之二的電力來(lái)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(guó)總電能消耗的10%[3],因此,對(duì)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(jià)格在過(guò)去12個(gè)月中大幅攀升,無(wú)論是企業(yè)還是消費(fèi)者都開(kāi)始感到巨大壓力。在歐洲,2020年至 2021[1]期間,天然氣價(jià)格上漲了47%。以德國(guó)為例,六分之一的發(fā)電量依賴天然氣。而在美國(guó),五分之二的電力來(lái)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(guó)總電能消耗的10%[3],因此,對(duì)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(guó)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(guó)制定了熱泵和空調(diào)的能效標(biāo)準(zhǔn)。北美的SEER和歐盟的ESEER確定了(歐洲)季節(jié)能效比。該評(píng)級(jí)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(píng)級(jí),從SEER 9升級(jí)到SEER 13系統(tǒng)可降低30%的功耗。SCOP等級(jí)(季節(jié)性能系數(shù))適用于加熱裝置。


暖通空調(diào)基本實(shí)施


無(wú)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(jī)供電(圖1)。幾十年來(lái),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(lái)構(gòu)建功率轉(zhuǎn)換器模塊。但是,由于大多數(shù)功率設(shè)計(jì)的效率通常都要求在95%以上,因此使用硅器件實(shí)現(xiàn)更高效率的途徑變得越來(lái)越局限。


通過(guò)轉(zhuǎn)移到SiC技術(shù)來(lái)獲得暖通空調(diào)更佳的SEER等級(jí)

圖1:空調(diào)機(jī)組和熱泵的基本電氣實(shí)施。


為了解決這一問(wèn)題,設(shè)計(jì)工程師越來(lái)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(kāi)關(guān)頻率和設(shè)計(jì)密度,并且具有更佳的總體性能。通過(guò)采用自下而上的設(shè)計(jì)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(shì)。


采用SiC所能夠?qū)崿F(xiàn)的效率改進(jìn)


SiC帶來(lái)的第一個(gè)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(kāi)關(guān)頻率和功率密度提高時(shí),該組件是功率損耗的來(lái)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(kāi)關(guān)損耗(參見(jiàn)圖2)。此外,殘存的功率損耗隨溫度或電流的變化達(dá)到最小。因此,對(duì)于以5kHz驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的4kW壓縮機(jī)設(shè)計(jì),可獲得約1.5%的效率提高,相當(dāng)于功耗減少60W。


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


通過(guò)轉(zhuǎn)移到SiC技術(shù)來(lái)獲得暖通空調(diào)更佳的SEER等級(jí)

圖2:用SiC器件替換快速二極管可實(shí)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(kāi)關(guān)意味著新拓?fù)浼軜?gòu)

當(dāng)然,在現(xiàn)有設(shè)計(jì)中簡(jiǎn)單地用SiC器件來(lái)替換硅開(kāi)關(guān)并不能實(shí)現(xiàn)這些令人興奮新WBG技術(shù)的全部潛力。在高于5kHz的開(kāi)關(guān)頻率下,基于IGBT的設(shè)計(jì)其效率會(huì)降低。在PFC中,應(yīng)考慮充分利用SiC特性改進(jìn)以獲得最佳效果的新拓?fù)浼軜?gòu)。最具成本效益的PFC拓?fù)渲皇前霕驁D騰柱(參見(jiàn)圖3),其中僅用兩個(gè)SiC MOSFET和一對(duì)PIN二極管來(lái)實(shí)現(xiàn),可提供優(yōu)異的功率密度和高達(dá)98.9%的效率。與全橋替代方案相比,其唯一的問(wèn)題是輕負(fù)載效率略低。


無(wú)橋圖騰柱PFC需要四個(gè)SiC MOSFET,但轉(zhuǎn)換效率高達(dá)99.2%。然而,這一優(yōu)勢(shì)必須與增大的設(shè)計(jì)復(fù)雜性和更高的總體物料清單(BOM)成本進(jìn)行權(quán)衡。


通過(guò)轉(zhuǎn)移到SiC技術(shù)來(lái)獲得暖通空調(diào)更佳的SEER等級(jí)

圖3:改變PFC拓?fù)浼軜?gòu)可以充分利用SiC技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。


用SiC開(kāi)始設(shè)計(jì)


當(dāng)從硅器件轉(zhuǎn)向SiC時(shí),功率系統(tǒng)設(shè)計(jì)師需要花時(shí)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(kāi)關(guān)的能力、較低的恢復(fù)特性以及相對(duì)于溫度的穩(wěn)定性,必須在受控參考應(yīng)用中操作開(kāi)關(guān),以準(zhǔn)確了解其工作方式。為了支持這一點(diǎn),Wolfspeed可提供降壓/升壓評(píng)估板[6] (KIT-CRD-3DD065P),它具有采用To-247-4封裝的兩個(gè)C3M(C3M0060065K)MOSFET和一個(gè)300μH電感器(參見(jiàn)圖4),該評(píng)估板可在降壓或升壓模式下工作,輸入和輸出電壓高達(dá)450 VDC,功率高達(dá)2.5 kW。如果選擇其它適用的電感器,則非常適合在高達(dá)100 kHz或更高頻率下測(cè)量時(shí)序、過(guò)沖和開(kāi)關(guān)損耗。該套件還配備有設(shè)計(jì)文件,如BOM和原理圖,以及指導(dǎo)設(shè)計(jì)師的快速入門(mén)視頻。


通過(guò)轉(zhuǎn)移到SiC技術(shù)來(lái)獲得暖通空調(diào)更佳的SEER等級(jí)


通過(guò)轉(zhuǎn)移到SiC技術(shù)來(lái)獲得暖通空調(diào)更佳的SEER等級(jí)


圖4:降壓/升壓評(píng)估板(KIT-CRD-3DD065P)使功率系統(tǒng)設(shè)計(jì)師能夠?qū)iC MOSFET快速納入他們的工作。


半橋圖騰柱AC-DC拓?fù)洌–RD-02AD065N)也可進(jìn)行類似評(píng)估,它設(shè)計(jì)用于180VAC至264VAC輸入,可在高達(dá)2.2kW時(shí)提供385VDC輸出。這種高效率、80+鈦合金設(shè)計(jì)采用同樣的C3M0060065K分立SiC MOSFET,同時(shí)具有開(kāi)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(lái)一直在開(kāi)發(fā)這項(xiàng)技術(shù)。在此期間,SiC已在該領(lǐng)域積累了超過(guò)7萬(wàn)億小時(shí)的運(yùn)行時(shí)間。憑借對(duì)WBG技術(shù)的堅(jiān)定承諾,到2024年,對(duì)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(jià)格上漲,暖通空調(diào)制造商更加重視SiC,以實(shí)現(xiàn)超越硅IGBT和MOSFET的更高效率,設(shè)計(jì)師和他們的采購(gòu)團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在可以輕松應(yīng)對(duì)。


由于市場(chǎng)對(duì)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(diǎn)至關(guān)重要。消費(fèi)者和商業(yè)買(mǎi)家都非常關(guān)注運(yùn)營(yíng)成本,在尋找新的或替代加熱和制冷設(shè)備時(shí)會(huì)參考效率標(biāo)簽。改用SiC可以使現(xiàn)有設(shè)計(jì)增加半個(gè)SEER等級(jí),而且通過(guò)進(jìn)行完全重新設(shè)計(jì),充分利用SiC的優(yōu)勢(shì),所能夠?qū)崿F(xiàn)的改進(jìn)可能會(huì)更加顯著。隨著已經(jīng)能夠提供廣泛的評(píng)估平臺(tái),從各個(gè)層面分析,功率系統(tǒng)設(shè)計(jì)師都應(yīng)該率先開(kāi)始轉(zhuǎn)向SiC,以便在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)之前獲得更多優(yōu)勢(shì)。


[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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