通过先进的电力电子技术重新定义热泵设计

作者：Microchip Technology碳化硅业务部门的高级数字营销专家Kevin Dykyj

在当今世界，对高效、可靠和环保的供暖和制冷解决方案的需求从未如此之高。其中，住宅热泵是一项突破性的创新。这些系统，特别是流行的空气源热泵，利用外部空气的能量来加热或冷却房屋内部，使其既通用又环保。
这些系统的核心是一个关键组件：电力电子。这些系统管理电能的流动和转换，确保家庭在每个季节都保持舒适。其核心是逆变器，它将直流电（DC）转换为交流电（AC），为压缩机和循环电机供电。这使得能够精确控制压缩机速度和鼓风机输出，这对于保持效率和适应不断变化的加热或冷却需求至关重要。


图1：碳化硅住宅热泵逆变器框图

尽管它们很重要，但电力电子设备仍面临着重大的设计挑战。传统的硅基组件通常会遭受更高的能量损失，特别是在住宅使用中常见的部分负载下。此外，它们的尺寸、重量和发热使紧凑的设计和长期可靠性变得复杂。高频开关也会产生电磁干扰（EMI），因此需要仔细设计以确保符合监管标准。
这就是应该考虑宽带隙（WBG）解决方案，特别是碳化硅（SiC）的地方。作为一种革命性的半导体材料，SiC具有无与伦比的导热性、高温弹性和更高的效率。这些属性直接解决了传统硅系统的局限性，为热泵技术的创新铺平了道路。使用SiC，制造商可以克服关键的设计挑战，提供更高效、可靠和用户友好的热泵，以满足对可持续家庭供暖和制冷解决方案日益增长的需求。但这对住宅应用意味着什么？SiC如何重新定义暖通空调（HVAC）系统的未来？
 
热泵的历史和向效率的转变
热泵自19世纪中叶问世以来，已经发生了显著的发展。最初设计为基本的制冷系统，现已发展成为住宅供暖和制冷的尖端解决方案。这一演变是由全球对气候变化日益增长的担忧和对节能技术日益增长的需求推动的。根据国际能源署（IEA）的数据，到2030年，全球安装的热泵数量预计将达到6亿台，比现在增加60%。这一激增反映了减少碳排放和依赖化石燃料的转变，特别是在气候政策激进的地区。

了解碳化硅
SiC最显著的特性之一是其WBG，大约是硅的三倍。这种WBG使SiC器件能够在更高的温度和电压下运行，这对于需要高功率密度和效率的应用至关重要。此外，SiC具有比硅更高的导热性，这意味着它可以更有效地散热，减少对复杂冷却系统的需求，提高整体系统的可靠性。

• 宽带隙：SiC的带隙是硅的三倍，可以在更高的电压和温度下运行，而不会牺牲效率。
• 高导热性：SiC能够更有效地散热，减少了对大量冷却系统的需求，提高了系统的可靠性和紧凑性。
• 低开关损耗：SiC元件在开关过程中的能量损耗显著降低，从而实现了更高效的功率转换。
• 坚固性：SiC的分子结构提供了抗磨损的弹性，确保了更长的组件寿命。

 
图2：住宅空气源热泵
 
利用SiC技术最大限度地提高热泵性能
SiC技术不仅提高了热泵的性能，而且符合现代电网的需求。随着太阳能和风能等可再生能源的日益普及，电网需要能够有效管理可变负载并无缝集成的系统。基于SiC的逆变器非常适合这一点，即使在波动条件下也能提供更快的开关能力和更高的效率。这减少了电网的压力，同时使热泵能够使用清洁能源运行，进一步提高了其环境效益。
考虑一个季节性温度变化显著的地区。传统的硅基热泵在这种波动期间可能难以保持效率，导致性能不一致和能耗更高。相比之下，由SiC技术驱动的热泵可以精确地适应不同的条件，确保稳定的舒适度，同时控制能源成本。这些优势使SiC成为未来住宅供暖和制冷解决方案的基石。

• 变速驱动器的精确控制：SiC技术能够高度精确地控制压缩机和风扇速度，使热泵能够动态调整性能，实时满足加热或冷却需求。这种精度转化为更好的舒适性和更高的效率。
• 节能降低成本：通过减少能源损失和提高整体效率，SiC驱动的热泵消耗更少的电力，帮助房主减少能源账单，同时减少碳足迹。
• 紧凑、现代的设计：SiC的紧凑型组件允许更时尚、节省空间的热泵设计，可以无缝集成到住宅环境中，而不会影响功能或美学吸引力。

图3: 30 kHz下典型的IGBT与SiC MOSFET开关损耗

SiC和传统硅解决方案之间的选择
在SiC和传统硅基IGBT之间进行选择需要评估成本、性能和长期效益。虽然SiC元件的前期成本较高，但其卓越的效率、导热性和功率密度可降低系统级成本。这些好处来自减少的能量损失、更小的冷却系统和紧凑的设计。
SiC降低开关损耗的能力提高了逆变器效率，增益高达1.5%，提高了整体系统性能。更高的开关频率可以提高电流质量和系统效率，特别是在部分负载条件下，这主导了住宅的使用。随着时间的推移，这些改进转化为显著的节能和较低的总拥有成本。
可靠性是另一个关键因素。SiC的耐用性和对热和电应力的抵抗力延长了组件的寿命，降低了维护和更换成本。随着监管标准推动提高能源效率和减少排放，SiC与这些目标的一致性加强了其价值主张。
成功的实际应用和行业认可进一步证实了向SiC的转变。通过案例研究展示其影响有助于解决对成本和采用的担忧，使决策者对其优势充满信心。随着对可持续、高性能系统的压力越来越大，SiC有望成为现代热泵应用以及更广泛的可持续发展解决方案中的首选材料。
 
展望未来：SiC与热泵的未来
随着供暖和制冷行业采用下一代技术，SiC作为创新的基石脱颖而出。凭借其无与伦比的效率、耐用性和满足严格能源法规的能力，SiC正在重塑暖通空调系统的格局。过渡可能涉及最初的障碍，但长期的好处——降低能源成本、减少环境影响和提高系统可靠性——使其成为一个令人信服的选择。通过采用SiC技术，制造商和消费者都可以为更可持续和节能的未来做出贡献。
随着供暖和制冷市场的不断发展，SiC的作用有望扩大。制造工艺和规模经济的进步正在降低SiC元件的成本，使其越来越适用于更广泛的应用。这一趋势可能会加速SiC在整个住宅领域的采用，为更高效和可持续的供暖解决方案铺平道路。
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