浮思特 | 从IGBT到超结MOSFET：超结MOSFET成冰箱变频技术新宠-电子发烧友网

目前全球每年销售约2.2亿台冰箱和冰柜，2024年市场规模约为750亿美元。预计该市场将以6.27%的年复合增长率持续增长，到2032年将达到约1200亿美元。当前冰箱压缩机驱动主要采用两种硅基技术：一种是IGBT，另一种是高压(HV)MOSFET。

在这两种技术中，高压MOSFET的采用正在加速，这主要得益于两大趋势。第一个趋势是冰箱压缩机系统的变频化，通过采用变频技术提高冰箱压缩机的效率、性能和寿命。

对更高能效的需求

传统压缩机以固定速度运行，通过不断启停来维持所需温度。这种启停循环会导致能源浪费。相比之下，变频压缩机根据制冷需求调整速度，在需要较少制冷时以更低速度持续运行，具有节能、温度稳定、降噪和延长压缩机寿命等优势。这一趋势推动了对高压MOSFET等性能优化的分立器件的需求，而非IGBT。第二个趋势是对系统设计和元件选择提出更严格的法规要求。

到2026年，中国将实施新的能效标准，这将推动几乎所有冰箱优化设计以满足该标准，并增加变频比例以提高能效。总而言之，供应商必须寻找更创新的方法来提高变频阶段的效率，尤其是在轻载运行时。英飞凌的新型CoolMOS 8正是针对这一现代挑战，在成本竞争力和高性能之间取得平衡，以满足低能耗的要求。

冰箱运行模式

在冰箱的使用寿命中，主要有三种运行模式。第一种是100%功率的快速降温模式。冰箱从环境温度开始启动，压缩机以最大功率运行进行降温。这种情况在冰箱的使用寿命中只发生几次，例如新冰箱首次通电或移动到新位置时。

第二种是约50%功率的额定负载运行。当冰箱门打开，人们存放或取用食物时，压缩机以较高功率运行以保持冷却。这实际上取决于每个家庭的使用频率，例如每天开门约10次，每次10秒。第三种是约20%功率的轻载运行。

当门关闭时，压缩机以低功率运行以维持温度。这占使用寿命的绝大部分，约95%。因此，轻载时的效率对于冰箱运行的节能最为关键。为了提高能效并获得更高的能源之星评级，冰箱制造商更加重视提高轻载效率。

CoolMOS 8

英飞凌最新的600 V CoolMOS 8(CM8)在高压超结MOSFET技术领域处于领先地位，为技术和性价比树立了新标准。该系列配备了集成快速体二极管，提供更低的反向恢复电荷，适用于硬开关电机驱动应用。通过.xT封装互连技术，热阻改善了高达50%，与上一代PFD7系列相比，具有更好的热性能。它满足Class 2级别的ESD HBM分类，这是家电设计中必备的要求。

评估平台

为了更好地评估不同技术在冰箱压缩机驱动应用中的性能，我们使用了图1中英飞凌的参考板。这是一块专为三相旋转冰箱压缩机设计的单层PCB，没有散热器。它采用IMD111T[5]运行，这是一款内置微控制器和三相栅极驱动器的智能驱动器。被测器件是六个分立功率开关，可以是IGBT或高压MOSFET。

图1

图2显示了测试平台的设置。输入采用300 V直流电源。功率表分别用于测量输入直流功率、输出交流功率和辅助功率。热电偶连接到低侧中间相晶体管器件的壳体以监测壳体温度。被测器件的效率可以表示为η = 交流功率/(直流功率-辅助功率)×100%。

图2

效率测量

评估中包括了几种器件技术：英飞凌的600 V/600 mΩ CM8 MOSFET、600 V/600 mΩ PFD7 MOSFET、600 V/6 A RCD2 IGBT，以及一款竞争对手的600 V/600 mΩ MOSFET。所有器件均采用相同的DPAK封装，该封装在此应用中已被广泛采用。冰箱驱动的典型开关频率为4 kHz至6 kHz。因此，评估中采用了5 kHz三相SVPWM方案。电路板置于保持25°C环境温度的封闭空间中。功率测试从轻载30W到满载300W。效率曲线如图3所示。

从测量中可以看出，MOSFET在整个负载范围内的效率均高于IGBT，从而在所有冰箱运行模式下提供更好的节能效果。效率在100W时达到峰值，CM8在所有对比技术中以98.5%的峰值效率位居榜首。在轻载60W(20%负载)时，CM8效率为98.4%，而RCD2 IGBT仅为97.2%，CM8领先IGBT 1.2%。在10%负载时，CM8的优势更为明显，领先IGBT 1.6%。在满载时，CM8提供97.2%的效率，仍领先IGBT 1.2%。

与上一代PFD7相比，CM8在20%轻载时效率提升0.2%，在100%满载时提升0.6%。CM8在整个负载范围内领先竞争高压MOSFET 0.6%至1%。