Cool-TechTM变频技术在无霜冰箱上的应用（二）

2018-03-06李祥戴良伟

家电科技 2018年2期

李祥戴良伟

杭州士兰微电子股份有限公司浙江杭州 310012

1 引言

我国作为冰箱的生产大国，每年产销量已经达到千万级的水准；同时我国也是冰箱的消费大国，随着家用冰箱的极大普及，冰箱的总耗能逐年增大。经统计，冰箱耗电量在居民用电中的比例达到了25%～45%[1]。而压缩机作为冰箱的心脏，是影响冰箱系统耗电最大的部件，它的改进能够降低冰箱整体的能效水平。因此，研究并改善压缩机变频技术，不仅仅能为家庭节约电费，还同时响应了国家节能减排和“低碳”的号召，并对提高我国冰箱企业的自主创新能力具有推动作用。

2016年10月1 日我国正式实施了《家用电冰箱耗电量限定值及能效等级》强制性能效国家标准GB 12021.2-2015，该标准对于冰箱产品的能耗等级有严格的要求，一台无霜冰箱如要达到一级能效等级，整体耗电量要下降近30%～40%。因此要使得冰箱的能效等级更高，提高变频冰箱所使用的压缩机COP值是一种不可或缺的手段。而提高压缩机COP值的方法有很多种，比如提高压缩效率、机械效率等，其中提高压缩机驱动变频器的电控效率是一个既有效、又成本最低的方法。

2 压缩机驱动变频器热量损耗分析

压缩机驱动变频器的电路结构示意图如图1[2]所示。其主要原理是通过整流桥以及大容量电解电容将输入交流电转化为直流高压电，然后经逆变器将直流高压电转化为一个频率和幅值均可变化的三相电源，来驱动冰箱压缩机运行。其中，逆变器的逆变功能是由功率器件来实现，而功率器件工作时会由于自身导通电阻的原因产生热量损耗，且这部分损耗对于功率器件本身是毫无作用的。因此要提高压缩机驱动变频器的电控效率，就必须降低逆变器的热量损耗。

目前市面上变频冰箱逆变器中的功率器件主要为5A电流规格的IGBT（内部并联了5A电流规格的快恢复二极管），其热量损耗分别包括通态损耗和开关损耗。通态损耗由IGBT的VCE(sat)和快恢复二极管的VF决定，VCE(sat)和VF越大，通态损耗越大。开关损耗与压缩机控制算法的载波频率有关，载波频率越高，开关损耗越大。因此为了降低开关损耗，目前大多数变频冰箱的控制载波频率为5kHz。

现在市面上使用的最好的IGBT产品参数为VCE(sat)=1.57V（IC=5A）和VF=1.8V（IF=5A），当变频冰箱在正常工作时，以输入功率160W的机型为例，逆变器IGBT上流过的有效电流在0.5A以下。所以应该关注在0.5A电流下的IGBT产品参数，经测试上述IGBT产品的参数为VCE(sat)=0.82V（IC=0.5A）和VF=1.08V（IF=0.5A）。

以某一压缩机型号的工作状态为例，在不同转速和输入功率下，对上述IGBT产品的损耗进行仿真，可以得到如表1所示的结果。

从表1中可以看出，在逆变器总损耗中，通态损耗所占比重非常大。因此，要想优化降低冰箱压缩机变频器的热量损耗，降低功率器件的通态损耗是关键。

3 超结功率MOSEFT

目前IGBT要降低VCE(sat)，主要有2种途径，一是增大芯片面积；二是减小芯片的厚度。前者会使得成本大幅增加，而且也不适用越来越小的封装需求；后者则对生产工艺要求很高（易碎裂、不良率高），大多数供应商厂家受生产设备限制，改善效果有限，相当于间接提高了芯片成本。

逆变器采用的功率器件除了IGBT外，还可以采用功率MOSFET。传统功率MOSFET要减小通态损耗，则必须要减小导通电阻；然而在保证一定击穿电压的情况下，要降低导通电阻也必须增大芯片面积作为代价。同时高耐压的传统功率MOSFET要求具有低浓度、较厚的漂移区，但是随着漂移区厚度的增加和浓度降低，漂移区的电阻将升高，导致器件的导通电阻增加，导通电阻Rdson与击穿电压BV之间约成2.5次平方关系，即Rdson正比于BV2.5。可见导通电阻受击穿电压限制而无法再降低，这是传统功率MOSFET发展遇到的一个瓶颈。为了突破这一限制，超结功率MOSFET被研发出来。

超结功率MOSFET是在传统功率MOSFET结构中引入超结而形成的。超结最大的特点就是，在阻断状态下，相互交替的p柱区和n柱区形成的pn结在x方向上产生耗尽区，加速了整个耐压层的耗尽。在较小的电压下，p柱区和n柱区就可完全耗尽，整个耐压层类似于本征层,从而器件的耐压有所提高。在两柱区满足电荷平衡的条件下，超结承受的耐压与柱区的厚度成正比的，同时也受到柱区浓度的影响。当柱区浓度增大到某一临界浓度值时，超结承受的耐压开始下降，并且该临界浓度值随着柱区宽度的减小而增大。

将超结用于功率MOSFET时，不仅可以改善器件的阻断特性,而且有利于降低其导通电阻，从而缓和功率MOSFET中击穿电压与导通电阻之间的矛盾。在满足耐压要求的情况下，降低n柱区和p柱区宽度，有利于提高柱区浓度，从而降低导通电阻。并且，超结的柱区厚度越大、宽度越小，即深宽比越大，对降低导通电阻越有利。超结功率MOSFET导通电阻与耐压的关系为：Rdson正比于BV1.32，大大降低下相同面积、耐压下芯片的导通电阻。

此外，由于IGBT产品由并联的IGBT和快恢复二极管2个芯片组成，所以在相同的电路封装结构下，超结功率MOSFET内部寄生的并联体二极管芯片面积会大于IGBT产品的快恢复二极管，因此其VF相比IGBT产品也会有很大的改善。

表1 IGBT和快恢复二极管在不同转速和输入功率下的损耗组成

表2 SVS6NF60DTR在不同转速和输入功率下的损耗组成

表3 COP对比测试结果

图1 变频器结构示意图

SVS6NF60DTR是专门针对冰箱应用研发的一款超结功率MOSFET，其Rds(on)=0.65Ω（ID=0.5A），即VDS=0.325V（ID=0.5A）；VF=0.725V（ID=0.5A）。相比上述IGBT产品，大大降低了器件工作的通态损耗。除此之外，该超结功率MOSFET的芯片面积小，成本低，可以兼容TO-252和TO-263的封装。