Cool-TechTM變頻技術在無霜冰箱上的應用（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大國，每年產銷量已經達到千萬級的水準；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。經統計，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，不僅僅能為家庭節約電費，還同時響應了國家節能減排和“低碳”的號召，并對提高我國冰箱企業的自主創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》強制性能效國家標準GB 12021.2-2015，該標準對于冰箱產品的能耗等級有嚴格的要求，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 壓縮機驅動變頻器熱量損耗分析

壓縮機驅動變頻器的電路結構示意圖如圖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化為直流高壓電，然后經逆變器將直流高壓電轉化為一個頻率和幅值均可變化的三相電源，來驅動冰箱壓縮機運行。其中，逆變器的逆變功能是由功率器件來實現，而功率器件工作時會由于自身導通電阻的原因產生熱量損耗，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電流規格的IGBT（內部并聯了5A電流規格的快恢復二極管），其熱量損耗分別包括通態損耗和開關損耗。通態損耗由IGBT的VCE(sat)和快恢復二極管的VF決定，VCE(sat)和VF越大，通態損耗越大。開關損耗與壓縮機控制算法的載波頻率有關，載波頻率越高，開關損耗越大。因此為了降低開關損耗，目前大多數變頻冰箱的控制載波頻率為5kHz。

現在市面上使用的最好的IGBT產品參數為VCE(sat)=1.57V（IC=5A）和VF=1.8V（IF=5A），當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。所以應該關注在0.5A電流下的IGBT產品參數，經測試上述IGBT產品的參數為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為例，在不同轉速和輸入功率下，對上述IGBT產品的損耗進行仿真，可以得到如表1所示的結果。

從表1中可以看出，在逆變器總損耗中，通態損耗所占比重非常大。因此，要想優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損耗是關鍵。

3 超結功率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；后者則對生產工藝要求很高（易碎裂、不良率高），大多數供應商廠家受生產設備限制，改善效果有限，相當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。傳統功率MOSFET要減小通態損耗，則必須要減小導通電阻；然而在保證一定擊穿電壓的情況下，要降低導通電阻也必須增大芯片面積作為代價。同時高耐壓的傳統功率MOSFET要求具有低濃度、較厚的漂移區，但是隨著漂移區厚度的增加和濃度降低，漂移區的電阻將升高，導致器件的導通電阻增加，導通電阻Rdson與擊穿電壓BV之間約成2.5次平方關系，即Rdson正比于BV2.5。可見導通電阻受擊穿電壓限制而無法再降低，這是傳統功率MOSFET發展遇到的一個瓶頸。為了突破這一限制，超結功率MOSFET被研發出來。

超結功率MOSFET是在傳統功率MOSFET結構中引入超結而形成的。超結最大的特點就是，在阻斷狀態下，相互交替的p柱區和n柱區形成的pn結在x方向上產生耗盡區，加速了整個耐壓層的耗盡。在較小的電壓下，p柱區和n柱區就可完全耗盡，整個耐壓層類似于本征層,從而器件的耐壓有所提高。在兩柱區滿足電荷平衡的條件下，超結承受的耐壓與柱區的厚度成正比的，同時也受到柱區濃度的影響。當柱區濃度增大到某一臨界濃度值時，超結承受的耐壓開始下降，并且該臨界濃度值隨著柱區寬度的減小而增大。

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

此外，由于IGBT產品由并聯的IGBT和快恢復二極管2個芯片組成，所以在相同的電路封裝結構下，超結功率MOSFET內部寄生的并聯體二極管芯片面積會大于IGBT產品的快恢復二極管，因此其VF相比IGBT產品也會有很大的改善。

表1 IGBT和快恢復二極管在不同轉速和輸入功率下的損耗組成

表2 SVS6NF60DTR在不同轉速和輸入功率下的損耗組成

表3 COP對比測試結果

圖1 變頻器結構示意圖

SVS6NF60DTR是專門針對冰箱應用研發的一款超結功率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產品，大大降低了器件工作的通態損耗。除此之外，該超結功率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用效果

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

從仿真結果中可以看到，SVS6NF60DTR MOS和二極管的通態損耗相比上述IGBT產品均有明顯的降低。

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產品的變頻板進行COP對比測試，試驗結果如表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 結論

本文分析了變頻冰箱壓縮機驅動變頻器的損耗組成，針對低開關頻率的控制方式，Cool-TechTM變頻技術采用導通電阻極低的超結功率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用前景分析[J]. 電器, 2009, (03):58-60.

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