介绍：
碳化硅通过在最具挑战性的环境中提供前所未有的效率、增强的耐用性和卓越的性能，正在彻底改变热泵和空调行业。全球气温不断升高，需要更严格的效率法规，而碳化硅供电解决方案可以通过对现有设计进行最少的改造或全新的系统设计来实现这一点。本文将指导您了解 SiC 分立解决方案和功率模块在住宅和商业热泵和空调设计中的技术考虑和实际应用。
提高效率标准，推动系统演进
在美国，供暖和制冷系统的效率是根据称为季节性能效比 （SEER） 的国家标准来衡量的。从 2023 年开始，在美国销售的所有新的住宅中央空调和空气源热泵系统都必须在北部各州获得不低于 14 的 SEER（季节性能效比）评级，在南部各州要求 15 SEER，这些州的制冷消耗了更大的家庭能源使用比例。
欧洲也存在类似的标准，称为ESEER（欧洲能源效率比），该标准推动新系统被评为B级或以上，以在具有能源意识的市场中保持竞争力。中国已经GB21455能效标准，推动新设计以更高的效率等级为目标，但不低于5级。
通过简单的插入式碳化硅器件提高效率
碳化硅分立器件可以很容易地集成到现有的热泵和空调设计中，从而充分提高效率，以满足 SEER、ESEER 和 GB21455 标准。图 2 显示了热泵和空调的各种子系统，包括功率转换 （PFC） 和逆变器，它们共同为压缩机供电并提供所需的空气温度。
图3显示了有源升压配置下的典型硅基PFC，以及如何通过简单地将硅二极管替换为650 V或1200 V（取决于直流母线电压）碳化硅（SiC）肖特基二极管来轻松改进，而无需重新设计任何系统。这是一个非常受欢迎的升级，效率提高了约0.5%甚至更高。
与硅二极管相比，Wolfspeed 的 650 V 和 1200 V 肖特基二极管提供零反向恢复电荷 （Qrr）。与市场上的任何硅二极管相比，Wolfspeed 的 C4D 1200 V 和 C3D 650 V SiC 二极管系列具有最佳的反向恢复性能（图 4）。
使用 SiC 进行重新设计可进一步提高效率
通过重新设计半无桥或无桥图腾柱配置的PFC，可以进一步最大限度地提高碳化硅的性能优势（图5）。
通过在快速开关路段上使用两个SiC 650/750 V MOSFET以及在慢速开关路段使用两个SiC 650/1200 V二极管（取决于直流母线电压）来实现半无桥PFC拓扑结构，可以将系统效率提高1.5%。
同样，在快速和慢速开关支路上使用所有SiC MOSFET的全无桥PFC拓扑结构，与基于Si的升压PFC相比，系统效率提高了1.9%。作为参考，在以 16 kHz 切换的 11 kW 压缩机系统中（图 6），与硅基解决方案相比，使用 SiC 时系统的总损耗可降低 50% 以上。
硅MOSFET由于其较大的反向恢复（图7）而不太适合无桥PFC拓扑结构，而硅IGBT表现出高开关损耗，需要更低的开关频率和更大的磁性元件，从而导致解决方案成本更高。
由于改进了开关性能和更好的散热性能，这种重新设计的方法降低了可闻噪声，并根据 IEC60034-14 标准轻松地将新的工业电机装置从（国际效率）IE3 过渡到 IE4 和 IE5 法规（图 8）。
逆变器级重新设计的额外收益
由6个开关组成的逆变器级可以通过更换所有现有的IGBT开关轻松升级为完整的SiC解决方案（图9）。
与典型的IGBT解决方案相比，Wolfspeed的SiC MOSFET具有最低的导通损耗。下图显示了 1200 V Wolfspeed SiC MOSFET 与传统 IGBT 的导通损耗。在低负载下，SiC MOSFET在30%负载时可降低50%的损耗，在半负载时可降低30%的导通损耗（图10）。
将1200 V SiC MOSFET的开关量与典型的1200 V IGBT进行比较时，超低开关损耗的优势显而易见，因为在关断期间看不到尾随电流。SiC MOSFET的这一特性可使关断损耗降低95%，或总开关损耗降低85%（图11）。
通过减少散热器节省更多成本
除了消耗更少的功率外，由于热性能的提高，SiC 还可以在热泵和空调中实现更小、更便宜的冷却设计。对于工作频率为 8 kHz 的 25 kW 逆变器，与类似的 IGBT 模块相比，使用 Wolfspeed 的 6 开关 WolfPACKTM 模块可使散热器整体尺寸减小 77%（图 13），同时效率提高 1.1%。这仅在逆变器侧，当与 SiC 供电的图腾柱 PFC 结合使用时，可以观察到 2.6% 的综合效率（图 12）。
图 12：Wolfspeed 的 WolfPACK™ 模块与 IGBT 解决方案之间的效率和热比较
基于碳化硅的逆变器可显著减少系统产生的热量，使设计人员能够使用更小的散热器，并为空调和热泵系统设计更小、更轻的压缩机。
设计支持工具，降低碳化硅的进入门槛
Wolfspeed 提供一套专为热泵和空调量身定制的设计支持工具，有助于降低使用 SiC 进行设计时的进入门槛，并加快整个系统优化过程。
Wolfspeed 最近发布的 11kW 高效逆变器参考设计 （CRD-11DA12N-K）（图 14）采用了 Wolfspeed 的 75 mΩ 1200 V MOSFET，为测试 SiC 在热泵和空调压缩机逆变器中的优势提供了一个完美的平台。该设计具有散热、电感和电路操作的特点，具有简单的 2 电平 3 相拓扑结构和可定制固件。
通过使用 Wolfspeed 的 40 mΩ C3M0040120K，这种逆变器设计可以轻松升级到 20 kW。与IGBT解决方案相比，SiC解决方案在16 kHZ时效率提升高达1.7%，在32 kHz时效率提升高达3.5%，即使在较低的dv/dt值下运行以保护电机也是如此（图15）。
新发布的三相主板基于 Wolfspeed 的 SpeedValTM 套件模块化评估平台，通过一组灵活的构建模块对系统性能进行在线评估，进一步加快了从硅到碳化硅的过渡。SpeedVal 套件在设计时考虑了工业电机驱动器、热泵和空调系统，使设计人员能够快速评估和优化碳化硅 MOSFET，并与行业领先合作伙伴的栅极驱动器配对。三相主板还通过灵活的控制选项实现精确控制和固件开发，以测试简单的静态负载或高级电机控制功能。
节约与环境影响
仅在PFC和逆变器中使用SiC升级供暖和空调系统对环境的影响是巨大的。作为参考，使用三相 11 kW 系统，消费者每年可以节省至少 453 kWh 的能源，约合 168 欧元，足以抵消系统成本的任何增加。当您查看设备的使用寿命时，这些节省尤为重要。假设该系统持续 15 年，消费者将节省 6800 千瓦时，总计约 2,520 欧元。这也意味着 4.8 公吨的 CO2 * 被释放到大气中，使 SiC 成为设计下一代热泵和空调的更可持续的选择。
更简洁布局的一般设计建议
建议设计人员避免栅极驱动器电路与MOSFET漏极之间重叠（图16a）。这有助于降低在栅极驱动电源环路中产生外部 Cgd 的风险。优势包括：
更低的开关损耗
降低栅极振荡风险
更低的 EMI
使敏感信号远离高 dv/dt 迹线。减小开关节点走线的尺寸可最大限度地减少直流总线的寄生电容，从而降低开关损耗和 EMI 问题。（图 16b）
尽可能减少栅极驱动器电路的栅极环路，并将外部Cgs电容放置在尽可能靠近MOSFET的位置。
总结
随着全球气温的上升，人们越来越需要更环保的解决方案来应对气候变化。如上所述，在设计下一代热泵和空调住宅、工业和商业应用时，碳化硅是一种更可持续的选择。
