近十年，碳化硅MOSFET逐步大批量应用在开关电源，光伏发电，电动汽车以及高铁、电网等领域，可靠性与性价比得到极大的提升与市场的充分验证，大量事实表明，以碳化硅为代表的第三代半导体新时代已经到来。

　　以碳化硅为代表的新型半导体技术为暖通空调（HVAC）综合性能的提升提供了新的途径，它不仅可以进一步优化系统性能，还能显著提升系统效率，助推暖通空调达到甚至超过新能效标准，使暖通空调具有更高的性价比。

　　众所周知，第三代半导体碳化硅与硅相比，器件性能优势十分明显，但是目前由于缺乏像传统硅材料那样超级量的生产，价格一直是使用的瓶颈。而随着Wolfspeed即将完成世界上第一条8吋碳化硅产线，碳化硅MOSFET的价格急速走低。深圳市鹏源电子有限公司开发了一款16kW级的研发样机，结果表明，将SiC MOSFET应用于暖通空调系统，不但可以显著提升系统性能，在性价比方面还更具优势。

　　碳化硅MOSFET相对于传统硅IGBT，开关损耗仅为其几十分之一，通态电阻压降的降低也十分显著，因此可适当提高压缩机控制器的开关频率。本样机将其提升到16kHz，超出人耳的听觉频率范围，大幅降低了可听到的、刺耳的电磁噪声。从图2可知，碳化硅MOSFET没有拐点电压，仅有一定的导通电阻，导通电压与电流成线性关系，因此导通压降和损耗大幅减少。当暖通空调在稳定工况运行时，压缩机控制器将工作在轻载或者超轻载模式下，节能效果更佳。

图2  碳化硅MOSFET与传统硅IGBT导通特性对比

　　项目公司研发团队使用开放式功耗与效率iPowerSiM仿真软件，对16kVA压缩机控制器样机进行仿真，该样机使用Wolfspeed公司的一款40mΩ、1200V的碳化硅MOSFET。仿真结果表明，即使在16kHz的高开关频率下，效率也可高达98.6%。

图3 基于iPowerSiM仿真软件的16kW碳化硅控制器功耗与效率仿真

　　为了降低成本，方案样机还采用了空调行业常用的自举（Bootstrap）供电模式，并在具有自主知识产权的电路及控制策略下产生负向电压用于碳化硅栅极驱动，提高了碳化硅MOSFET使用的栅极信赖性，同时又兼顾空调行业的应用习惯、体积与成本控制。

　　图4 碳化硅压缩机控制器样机

　　方案样机在提升开关频率的同时，也适当地降低了电压变化率，避免碳化硅高dv/dt带来的轴电流及对绕组绝缘等造成损伤，即使如此，控制器还是可以达到峰值98%的效率，比传统硅IGBT满载时效率高出0.5%，轻载及超轻载效率高出1%-5%（如下图所示）。

　　图5 碳化硅控制器效率曲线及对比

　　最终，基于碳化硅MOSFET的方案样机开关频率为16kHz，相对于传统的IGBT，开关频率提升了1-2倍，死区时间减少了一半以上，降低了系统补偿的难度，具有更优的输出电流波形。系统还大幅减少了听觉内的电磁噪声，具有更佳的NVH，可以降低隔音系统的设计难度及成本。

　　图6 基于碳化硅的压缩机控制器优点

　　采用碳化硅MOSFET的样机还可带来1%-5%的系统效率提升，降低了散热设计的要求与成本，改善了电机谐波电流，扭矩波动以及动态响应等。现在方案样机采用的C3M0040120K碳化硅MOSFET成本几乎接近于硅IGBT模块，优于IPM模块，在达到更优性能的同时几乎不增加系统成本，具有极高的使用意义。如果再考虑由于使用碳化硅器件带来散热系统，隔音系统等成本的降低，以及由于高效率低损耗带来的用电量，即最直观的电费下降，方案样机则具有极高的经济价值。

　　据彭博新能源（BNEF）的研究显示，2018年全球住宅和商业空调用电量达1932万亿瓦时，中国则占34%，位居全球第一。如果按平均提升2%的能效换算，则节省用电为400亿千瓦时，几乎接近半个三峡大坝的年发电量。因此，为了达到空调新能效标准，早日实现国家提倡的"双碳"节能减排重大战略目标，在变频空调使用量及用电量极高的今天，进一步提升暖通空调的能效，具有十分重大的战略意义及经济效益。

　　此外，在另一个领域，电动汽车近年雨后春笋般蓬勃发展，但是冬季电动汽车的续航里程大幅缩减一直被用户诟病，其中原因之一是电动汽车冬季制热功能大多数采用的PTC（Positive Temperature Coefficient）电阻加热器完成的，即使在PTC的COP（Coefficient Of Performance，加热器单位功率制热量）制热能效比接近于1的情况下，还是会有大概30%-50%的电池电量被用于制热，当然会造成续航里程大幅缩短。

　　但是，如果采用了宽温域、高效率的碳化硅热泵空调系统，则可降低60%以上的能效，冬季制热工况下的能效比COP可达2-4，是目前PTC加热方式的数倍，最大可带来25%左右的冬季续航里程的提升，这比我们认知的电动汽车主电控上使用碳化硅提升了5-10%的续航里程数据还要高不少。

　　图7 荣威Ei5纯热泵与PTC制热能耗试验对比（数据来自网络）

　　另外，采用碳化硅热泵空调，充分地利用车辆内外界的冷热交换原理，冬天还可以将电机，铁芯，电池的发热供整车使用，实现废热回收与利用，最大限度减少浪费。

　　图8 汽车热泵热管理系统（图片来自网络）

　　目前，特斯拉的Model Y车型，宝马i3车型，大众新款e-Golf车型，奔驰EQC车型，奥迪R8e-tron纯电动版，以及比亚迪，上汽，广汽新能源，蔚来汽车等厂家均已宣称使用或将使用热泵空调系统。

图9 奥迪R8 e-tron纯电动版热泵空调系统（图片来自网络）

　　随着第三代半导体爆发式、野蛮式增长，产能拉升与成本急剧下降同步进行，碳化硅MOSFET应用在热泵空调上将会更进一步提升电动汽车冬季的续航里程，缓解用户的里程焦虑，在传统HVAC上应用也将会大幅度提升暖通空调的性能及效率，降低发热量及系统用电量等，为践行减排、少碳战略目标提供一个新的途径。