Cool-TechTM變頻技術(shù)在無霜冰箱上的應(yīng)用（二）

李祥 戴良偉

杭州士蘭微電子股份有限公司 浙江杭州 310012

1 引言

我國作為冰箱的生產(chǎn)大國，每年產(chǎn)銷量已經(jīng)達到千萬級的水準(zhǔn)；同時我國也是冰箱的消費大國，隨著家用冰箱的極大普及，冰箱的總耗能逐年增大。經(jīng)統(tǒng)計，冰箱耗電量在居民用電中的比例達到了25%～45%[1]。而壓縮機作為冰箱的心臟，是影響冰箱系統(tǒng)耗電最大的部件，它的改進能夠降低冰箱整體的能效水平。因此，研究并改善壓縮機變頻技術(shù)，不僅僅能為家庭節(jié)約電費，還同時響應(yīng)了國家節(jié)能減排和“低碳”的號召，并對提高我國冰箱企業(yè)的自主創(chuàng)新能力具有推動作用。

2016年10月1 日我國正式實施了《家用電冰箱耗電量限定值及能效等級》強制性能效國家標(biāo)準(zhǔn)GB 12021.2-2015，該標(biāo)準(zhǔn)對于冰箱產(chǎn)品的能耗等級有嚴(yán)格的要求，一臺無霜冰箱如要達到一級能效等級，整體耗電量要下降近30%～40%。因此要使得冰箱的能效等級更高，提高變頻冰箱所使用的壓縮機COP值是一種不可或缺的手段。而提高壓縮機COP值的方法有很多種，比如提高壓縮效率、機械效率等，其中提高壓縮機驅(qū)動變頻器的電控效率是一個既有效、又成本最低的方法。

2 壓縮機驅(qū)動變頻器熱量損耗分析

壓縮機驅(qū)動變頻器的電路結(jié)構(gòu)示意圖如圖1[2]所示。其主要原理是通過整流橋以及大容量電解電容將輸入交流電轉(zhuǎn)化為直流高壓電，然后經(jīng)逆變器將直流高壓電轉(zhuǎn)化為一個頻率和幅值均可變化的三相電源，來驅(qū)動冰箱壓縮機運行。其中，逆變器的逆變功能是由功率器件來實現(xiàn)，而功率器件工作時會由于自身導(dǎo)通電阻的原因產(chǎn)生熱量損耗，且這部分損耗對于功率器件本身是毫無作用的。因此要提高壓縮機驅(qū)動變頻器的電控效率，就必須降低逆變器的熱量損耗。

目前市面上變頻冰箱逆變器中的功率器件主要為5A電流規(guī)格的IGBT（內(nèi)部并聯(lián)了5A電流規(guī)格的快恢復(fù)二極管），其熱量損耗分別包括通態(tài)損耗和開關(guān)損耗。通態(tài)損耗由IGBT的VCE(sat)和快恢復(fù)二極管的VF決定，VCE(sat)和VF越大，通態(tài)損耗越大。開關(guān)損耗與壓縮機控制算法的載波頻率有關(guān)，載波頻率越高，開關(guān)損耗越大。因此為了降低開關(guān)損耗，目前大多數(shù)變頻冰箱的控制載波頻率為5kHz。

現(xiàn)在市面上使用的最好的IGBT產(chǎn)品參數(shù)為VCE(sat)=1.57V（IC=5A）和VF=1.8V（IF=5A），當(dāng)變頻冰箱在正常工作時，以輸入功率160W的機型為例，逆變器IGBT上流過的有效電流在0.5A以下。所以應(yīng)該關(guān)注在0.5A電流下的IGBT產(chǎn)品參數(shù)，經(jīng)測試上述IGBT產(chǎn)品的參數(shù)為VCE(sat)=0.82V（IC=0.5A）和VF=1.08V（IF=0.5A）。

以某一壓縮機型號的工作狀態(tài)為例，在不同轉(zhuǎn)速和輸入功率下，對上述IGBT產(chǎn)品的損耗進行仿真，可以得到如表1所示的結(jié)果。

從表1中可以看出，在逆變器總損耗中，通態(tài)損耗所占比重非常大。因此，要想優(yōu)化降低冰箱壓縮機變頻器的熱量損耗，降低功率器件的通態(tài)損耗是關(guān)鍵。

3 超結(jié)功率MOSEFT

目前IGBT要降低VCE(sat)，主要有2種途徑，一是增大芯片面積；二是減小芯片的厚度。前者會使得成本大幅增加，而且也不適用越來越小的封裝需求；后者則對生產(chǎn)工藝要求很高（易碎裂、不良率高），大多數(shù)供應(yīng)商廠家受生產(chǎn)設(shè)備限制，改善效果有限，相當(dāng)于間接提高了芯片成本。

逆變器采用的功率器件除了IGBT外，還可以采用功率MOSFET。傳統(tǒng)功率MOSFET要減小通態(tài)損耗，則必須要減小導(dǎo)通電阻；然而在保證一定擊穿電壓的情況下，要降低導(dǎo)通電阻也必須增大芯片面積作為代價。同時高耐壓的傳統(tǒng)功率MOSFET要求具有低濃度、較厚的漂移區(qū)，但是隨著漂移區(qū)厚度的增加和濃度降低，漂移區(qū)的電阻將升高，導(dǎo)致器件的導(dǎo)通電阻增加，導(dǎo)通電阻Rdson與擊穿電壓BV之間約成2.5次平方關(guān)系，即Rdson正比于BV2.5?？梢妼?dǎo)通電阻受擊穿電壓限制而無法再降低，這是傳統(tǒng)功率MOSFET發(fā)展遇到的一個瓶頸。為了突破這一限制，超結(jié)功率MOSFET被研發(fā)出來。

超結(jié)功率MOSFET是在傳統(tǒng)功率MOSFET結(jié)構(gòu)中引入超結(jié)而形成的。超結(jié)最大的特點就是，在阻斷狀態(tài)下，相互交替的p柱區(qū)和n柱區(qū)形成的pn結(jié)在x方向上產(chǎn)生耗盡區(qū)，加速了整個耐壓層的耗盡。在較小的電壓下，p柱區(qū)和n柱區(qū)就可完全耗盡，整個耐壓層類似于本征層,從而器件的耐壓有所提高。在兩柱區(qū)滿足電荷平衡的條件下，超結(jié)承受的耐壓與柱區(qū)的厚度成正比的，同時也受到柱區(qū)濃度的影響。當(dāng)柱區(qū)濃度增大到某一臨界濃度值時，超結(jié)承受的耐壓開始下降，并且該臨界濃度值隨著柱區(qū)寬度的減小而增大。

將超結(jié)用于功率MOSFET時，不僅可以改善器件的阻斷特性,而且有利于降低其導(dǎo)通電阻，從而緩和功率MOSFET中擊穿電壓與導(dǎo)通電阻之間的矛盾。在滿足耐壓要求的情況下，降低n柱區(qū)和p柱區(qū)寬度，有利于提高柱區(qū)濃度，從而降低導(dǎo)通電阻。并且，超結(jié)的柱區(qū)厚度越大、寬度越小，即深寬比越大，對降低導(dǎo)通電阻越有利。超結(jié)功率MOSFET導(dǎo)通電阻與耐壓的關(guān)系為：Rdson正比于BV1.32，大大降低下相同面積、耐壓下芯片的導(dǎo)通電阻。

此外，由于IGBT產(chǎn)品由并聯(lián)的IGBT和快恢復(fù)二極管2個芯片組成，所以在相同的電路封裝結(jié)構(gòu)下，超結(jié)功率MOSFET內(nèi)部寄生的并聯(lián)體二極管芯片面積會大于IGBT產(chǎn)品的快恢復(fù)二極管，因此其VF相比IGBT產(chǎn)品也會有很大的改善。

表1 IGBT和快恢復(fù)二極管在不同轉(zhuǎn)速和輸入功率下的損耗組成

表2 SVS6NF60DTR在不同轉(zhuǎn)速和輸入功率下的損耗組成

表3 COP對比測試結(jié)果

圖1 變頻器結(jié)構(gòu)示意圖

SVS6NF60DTR是專門針對冰箱應(yīng)用研發(fā)的一款超結(jié)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產(chǎn)品，大大降低了器件工作的通態(tài)損耗。除此之外，該超結(jié)功率MOSFET的芯片面積小，成本低，可以兼容TO-252和TO-263的封裝。

4 SVS6NF60DTR在變頻冰箱中的實際應(yīng)用效果

為了驗證SVS6NF60DTR在變頻冰箱中應(yīng)用的效果，首先將SVS6NF60DTR的參數(shù)代入到損耗仿真軟件中，以同一型號壓縮機的工作狀態(tài)作為仿真條件，得到SVS6NF60DTR在不同轉(zhuǎn)速和輸入功率下的損耗組成如表2所示的結(jié)果。

從仿真結(jié)果中可以看到，SVS6NF60DTR MOS和二極管的通態(tài)損耗相比上述IGBT產(chǎn)品均有明顯的降低。

此外在量熱儀上，針對同一臺壓縮機，將采用SVS6NF60DTR的變頻板與采用上述IGBT產(chǎn)品的變頻板進行COP對比測試，試驗結(jié)果如表3所示。采用SVS6NF60DTR的變頻板COP值平均要比采用IGBT的變頻板低0.055，明顯降低了變頻冰箱的耗電量。

5 結(jié)論

本文分析了變頻冰箱壓縮機驅(qū)動變頻器的損耗組成，針對低開關(guān)頻率的控制方式，Cool-TechTM變頻技術(shù)采用導(dǎo)通電阻極低的超結(jié)功率MOSFET作為逆變器的功率器件，大大降低了逆變器的熱量損耗，提高了變頻冰箱的COP值。

[1] 周小天, 王書科, 常見虎. 太陽能冰箱的研究及應(yīng)用前景分析[J]. 電器, 2009, (03):58-60.

[2] 趙雅麗, 王瑞. 變頻冰箱的節(jié)能效益研究[J]. 電器, 2012, (z1):16-20.