為了達到空調(diào)新能效標準,早日實現(xiàn)國家提倡的“雙碳”節(jié)能減排重大戰(zhàn)略目標,在變頻空調(diào)使用量及用電量極高的今天,進一步提升暖通空調(diào)的能效,具有十分重大的戰(zhàn)略意義及經(jīng)濟效益?
近十年,碳化硅MOSFET逐步大批量應(yīng)用在開關(guān)電源?光伏發(fā)電?電動汽車以及高鐵?電網(wǎng)等領(lǐng)域,可靠性與性價比得到極大的提升與市場的充分驗證,大量事實表明,以碳化硅為代表的第三代半導(dǎo)體新時代已經(jīng)到來?
以碳化硅為代表的新型半導(dǎo)體技術(shù)為暖通空調(diào)(HVAC)綜合性能的提升提供了新的途徑,它不僅可以進一步優(yōu)化系統(tǒng)性能,還能顯著提升系統(tǒng)效率,助推暖通空調(diào)達到甚至超過新能效標準,使暖通空調(diào)具有更高的性價比?
項目介紹:
本項目由華強電子產(chǎn)業(yè)研究所成果轉(zhuǎn)化與技術(shù)轉(zhuǎn)移服務(wù)平臺技術(shù)方案商提供?
為了應(yīng)對暖通空調(diào)行業(yè)新標準,以及電動汽車冬季續(xù)航里程焦慮,本項目方案公司提出了一種基于新型功率器件碳化硅MOSFET的壓縮機控制器解決思路,并設(shè)計了一款16kW級的控制器樣機進行驗證?
驗證結(jié)果表明,本項目將SiC MOSFET應(yīng)用于暖通空調(diào)系統(tǒng),不但可以顯著提升系統(tǒng)性能,在性價比方面還更具優(yōu)勢?
節(jié)能效果更佳:從下圖可知,碳化硅MOSFET沒有拐點電壓,僅有一定的導(dǎo)通電阻,導(dǎo)通電壓與電流成線性關(guān)系,因此導(dǎo)通壓降和損耗大幅減少?當暖通空調(diào)在穩(wěn)定工況運行時,壓縮機控制器將工作在輕載或者超輕載模式下,節(jié)能效果更佳?
圖1 碳化硅MOSFET與傳統(tǒng)硅IGBT導(dǎo)通特性對比
系統(tǒng)效能更高:項目公司研發(fā)團隊使用開放式功耗與效率iPowerSiM仿真軟件,對16kVA壓縮機控制器樣機進行仿真,該樣機使用Wolfspeed公司的一款40mΩ?1200V的碳化硅MOSFET?仿真結(jié)果表明,即使在16kHz的高開關(guān)頻率下,效率也可高達98.6%?
圖2基于iPowerSiM仿真軟件的16kW碳化硅控制器功耗與效率仿真
方案樣機在提升開關(guān)頻率的同時,也適當?shù)亟档土穗妷鹤兓?避免碳化硅高dv/dt帶來的軸電流及對繞組絕緣等造成損傷,即使如此,控制器還是可以達到峰值98%的效率,比傳統(tǒng)硅IGBT滿載時效率高出0.5%,輕載及超輕載效率高出1%-5%?
圖3碳化硅控制器效率曲線及對比
兼容性與成本控制兼顧:為了降低成本,方案樣機還采用了空調(diào)行業(yè)常用的自舉(Bootstrap)供電模式,并在具有自主知識產(chǎn)權(quán)的電路及控制策略下產(chǎn)生負向電壓用于碳化硅柵極驅(qū)動,提高了碳化硅MOSFET使用的柵極信賴性,同時又兼顧空調(diào)行業(yè)的應(yīng)用習(xí)慣?體積與成本控制?
應(yīng)用場景:
本項目的技術(shù)可應(yīng)用于住宅和商用暖通空調(diào)(HVAC)?電動汽車暖通空調(diào)系統(tǒng)?
商用暖通空調(diào):該項目方案樣機采用的C3M0040120K碳化硅MOSFET成本幾乎接近于硅IGBT模塊,優(yōu)于IPM模塊,在達到更優(yōu)性能的同時幾乎不增加系統(tǒng)成本,具有極高的使用意義?如果再考慮由于使用碳化硅器件帶來散熱系統(tǒng),隔音系統(tǒng)等成本的降低,以及由于高效率低損耗帶來的用電量,即最直觀的電費下降,方案樣機則具有極高的經(jīng)濟價值?
電動汽車應(yīng)用:電動汽車近年雨后春筍般蓬勃發(fā)展,但是冬季電動汽車的續(xù)航里程大幅縮減一直被用戶詬病,其中原因之一是電動汽車冬季制熱功能大多數(shù)采用的PTC(Positive Temperature Coefficient)電阻加熱器完成的,即使在PTC的COP(Coefficient Of Performance,加熱器單位功率制熱量)制熱能效比接近于1的情況下,還是會有大概30%-50%的電池電量被用于制熱,當然會造成續(xù)航里程大幅縮短?但是,如果采用了寬溫域?高效率的碳化硅熱泵空調(diào)系統(tǒng),則可降低60%以上的能效,冬季制熱工況下的能效比COP可達2-4,是目前PTC加熱方式的數(shù)倍,最大可帶來25%左右的冬季續(xù)航里程的提升?
技術(shù)優(yōu)勢:
系統(tǒng)效率提升1%-5%
能量損耗降低40%
開關(guān)頻率提升100%-200%
死區(qū)時間減少60%
節(jié)能效果好
自主研發(fā)
性能穩(wěn)定
支持定制化開發(fā)
產(chǎn)品樣圖:
lazy" />
