使用 SpeedFit™ 設計模擬器，對於採用碳化矽的工業馬達驅動進行設計模擬
快速測試 Wolfspeed 的碳化矽功率元件，設計更高效、更小型、更安靜的工業單相和三相馬達驅動系統，涵蓋工業低電壓馬達驅動、伺服驅動、熱泵與空調的壓縮機等。SpeedFit 提供了散熱器參數的具體選擇，使得您的模擬更加貼近於實際的條件和運行。
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住宅及商用空調和熱泵領域憑藉採用 Wolfspeed 碳化矽元件，從容應對這個炎熱的夏季
Anantpreet Aulakh
Sep 05, 2024
Article
前言
碳化矽在最艱困的環境中提供無可比擬的效率、更強的耐用性及卓越的效能，為熱泵與空調產業帶來革命性創新。全球氣溫升高促使更嚴格的效率法規，而由 SiC 提供的解決方案可透過對現有設計進行最小程度改造或使用全新的系統設計以符合規範。本文將帶領您了解SiC分離式解決方案與功率模組在住宅及商業熱泵與空調設計中的技術考量及實際應用。
提高效率標準推動系統進化
在美國，暖氣與冷氣系統的效率根據稱為季節性能源效率比值 (Seasonal Energy Efficiency Ratio, SEER)的國家標準加以衡量。自 2023 年開始，在美國銷售的所有新住宅中央空調與空氣源熱泵系統的 SEER（季節性能源效率比值）等級要求，在北部各州不得低於 14，在南部各州不得低於 15，其中冷卻消耗了家庭能源使用的較大份額。
歐洲亦有類似的標準，稱為 ESEER（歐洲能源效率比值），該標準促使新系統達到 B 級或更高等級，以在充滿能源意識的市場中保持競爭力。中國訂有 GB21455 效率標準，促使新設計以高於 5 級的更高效率等級為目標。
圖 1 說明美國、歐洲及中國日益嚴格的標準。對於傳統功率半導體元件而言，符合這些要求滯礙難行。碳化矽以簡單、符合成本效益的方法符合這些標準，同時實現更小巧、功率密度更高且更安靜的整體加熱及冷卻系統。
透過簡單的插入式碳化矽裝置提高效 率
碳化矽分離式元件可與現有的熱泵及空調設計輕鬆整合，進而充分提高效率，符合 SEER、ESEER 及 GB21455 標準。圖 2 說明熱泵與空調的各種子系統，包括功率因數修正 (PFC) 與逆變器，兩者共同為壓縮機供電，並提供所需的空氣溫度。
圖 3 說明主動升壓配置中的典型矽基功率因數修正，以及如何僅以 650 V 或 1200 V（取決於直流總線電壓）碳化矽 (SiC) 肖特基二極體替換矽二極體即可輕鬆將其改善，無需任何系統重新設計。這是一種非常普遍的升級，可使效率提高約 0.5% 或以上。
與矽二極體相比，Wolfspeed 的 650 V 及 1200 V 肖特基二極體可產生零反向恢復電荷 (Qrr)。相對於市面上的各種矽二極體，Wolfspeed 的 C4D 1200 V 及 C3D 650 V SiC 二極體系列提供最佳的反向恢復效能（圖 4）。
以碳化矽進行重新設計可進一步提高效率
在半無橋或無橋圖騰柱配置中重新設計功率因數修正，可進一步大幅提升碳化矽的效能優勢（圖 5）。
相較於矽基升壓功率因數修正，在快速切換臂上使用兩個 SiC 650/750 V MOSFET 以及在慢速切換臂上使用兩個 SiC 650/1200 V 二極體（取決於直流母線電壓）執行半無橋功率因數修正拓撲，即可使系統效率提高 1.5 %。
同樣的，相較於矽基升壓功率因數修正，在快速與慢速切換臂上使用所有 SiC MOSFET 的全無橋功率因數修正拓撲，可使系統效率提高 1.9%。參考範例：在以 16 kHz 切換的 11 kW 壓縮機系統中（圖 6），相較於矽基解決方案，使用 SiC 時的系統的總損耗可降低 50% 以上。
由於矽 MOSFET 反向恢復較大，因此矽 MOSFET 較不適合無橋功率因數修正拓撲（圖 7），矽 IGBT 的切換損耗較高，需要較低的切換頻率及較大的磁性組件，造成解決方案成本更高。
藉助提高的切換效能與更優良的散熱效能，這種重新設計方法降低了聲頻噪聲，並根據 IEC60034-14 標準將新的工業馬達裝置從（國際效率）IE3 輕鬆轉換為 IE4 和 IE5 法規（圖 8）。
逆變器級重新設計的額外收益
替換所有現有的 IGBT 開關，由 6 個開關組成的逆變器級即可輕鬆升級為完整的 SiC 解決方案（圖 9）。
與典型的 IGBT 解決方案相比，Wolfspeed 的 SiC MOSFET 產生最低的傳導損耗。下圖說明 1200 V Wolfspeed SiC MOSFET 與傳統 IGBT 的傳導損耗比較。在低負載時，SiC MOSFET 在 30% 負載時可將損耗降低 50%，在半負載時可將傳導損耗降低 30%（圖 10）。
當 1200 V SiC MOSFET 的切換與典型 1200 V IGBT 進行比較時，由於關閉期間無可見的曳尾電流，因此超低切換損耗的優勢顯而易見。這項 SiC MOSFET 的特性可反向將關閉切換損耗降低 95%，或將整體總切換損耗降低 85%（圖 11）。
減少散熱器可進一步節省成本
除了消耗較少功率外，因為熱效能提高，SiC 亦可在熱泵與空調中達成更小、較實惠的冷卻設計。對於運作頻率為 8 kHz 的 25 kW 逆變器，與類似的 IGBT 模組相比，使用 Wolfspeed 的 6 開關 WolfPACK™ 模組可使散熱器整體尺寸減小 77%（圖 13），同時將效率提高 1.1%。這僅僅是在逆變器側，當搭配 SiC 供電的圖騰柱功率因數修正時，更可觀察到 2.6% 的綜合效率（圖 12）。
圖 12：Wolfspeed 的 WolfPACKTM 模組與 IGBT 解決方案間的效率與熱比較
基於 SiC 的逆變器可明顯減少系統產生的熱量，使設計師能夠使用更小的散熱器，並為空調與熱泵系統設計整體更小、更輕的壓縮機。
降低碳化矽進入門檻的設計支援工具
Wolfspeed 提供了一套針對熱泵與空調量身定制的設計支援工具，可協助降低使用 SiC 進行設計時的進入門檻，並加速整體系統最佳化流程。
Wolfspeed 最近發布的 11kW 高效逆變器參考設計 (CRD-11DA12N-K)（圖 14）採用 Wolfspeed 的 75 mΩ 1200 V MOSFET，並提供了完美的平台，可測試 SiC 在熱泵與空調壓縮機逆變器中的優勢。此設計的特點是熱特性、電感及電路操作，並具有簡單的 2 級 3 相拓撲與可自訂的韌體。
使用 Wolfspeed 的 40 mΩ C3M0040120K，即可輕鬆地將此逆變器設計升級至 20 kW。相較於 IGBT 解決方案，SiC 解決方案的效能優於 IGBT 解決方案，即使在較低的 dv/dt 值下運行以保護馬達時，SiC 解決方案在 16 kHz 時的效率增益高達 1.7%，而在 32 kHz 時的效率增益更高達 3.5%（圖 15）。
新發佈的三相主機板以 Wolfspeed 的 SpeedVal™ 套件模組化評估平台為基礎，透過一組靈活的建構區塊，針對系統效能進行電路內評估，進一步加速從矽到碳化矽的轉換過程。SpeedVal 套件在設計時考慮了工業馬達驅動器、熱泵及空調系統，使設計師能夠快速評估與最佳化碳化矽 MOSFET 以及來自業界頂尖合作夥伴的柵極驅動器。三相主機板亦可透過靈活的控制選項達成精確控制與韌體開發，進而測試簡單的靜態負載或先進馬達控制功能。
實現節能與環境影響
僅在功率因數修正與逆變器中使用 SiC 升級加熱及空調系統，會對環境帶來顯著的影響。作為參考，使用三相 11 kW 系統，消費者預計每年可節省至少 453 kWh 能源（約 168 歐元），足以抵消系統成本的任何增加。當您將設備的使用壽命納入考量時，這些節約效果尤其顯著。假設該系統持續使用 15 年，消費者將節省 6800 kWh（總計約 2,520 歐元）。這也表示，釋放到大氣中的 CO2*減少 4.8 公噸，使 SiC 成為設計下一代熱泵與空調時可採用的的更加永續選擇。
更簡約配置的一般設計建議
- 建議設計師避免使柵極驅動器電路與 MOSFET 汲極重疊（圖 16a）。這有助於降低在柵極驅動電源迴路中誘導外部 Cgd 的風險。優勢包含
- 較低的切換損耗
- 降低柵極振盪的風險
- 較低的 EMI
- 將敏感訊號遠離高 dv/dt 走線。縮減切換節點走線的尺寸可大幅減少直流匯流排的寄生電容，進而減少切換損耗與 EMI 問題。（圖 16b）
- 盡可能縮小柵極驅動器電路的柵極迴路，並將外部 Cgs 電容盡可能靠近 MOSFET。
*(www.epa.gov)
摘要
隨著全球氣溫上升，大眾越來越需要更環保的解決方案對抗氣候變遷。研究證實，在設計下一代熱泵與空調住宅、工業與商業應用時，SiC 是更永續的選擇。
Wolfspeed 的 11kW 高效逆變器參考設計 (CRD-11DA12N-K) 功率高達 20 kW，可作為釋放 SiC 功率並輕鬆超越新效率標準的指導工具，用於進行 SiC 設計易如反掌。您也可以使用我們的線上 SpeedFit™ 設計模擬工具模擬目前的設計挑戰，使用 SpeedVal 評估平台快速進行原型設計及測試，或在我們的功率應用線上討論平台直接與我們的碳化矽專家聯絡。