輕型商用與家用中央空調(diào)PFC架構(gòu)及SiC碳化硅集成的戰(zhàn)略分析報(bào)告

傾佳電子（Changer Tech）是一家專注于功率半導(dǎo)體和新能源汽車連接器的分銷商。主要服務(wù)于中國工業(yè)電源、電力電子設(shè)備和新能源汽車產(chǎn)業(yè)鏈。傾佳電子聚焦于新能源、交通電動化和數(shù)字化轉(zhuǎn)型三大方向，并提供包括IGBT、SiC MOSFET、GaN等功率半導(dǎo)體器件以及新能源汽車連接器。?

傾佳電子楊茜致力于推動國產(chǎn)SiC碳化硅模塊在電力電子應(yīng)用中全面取代進(jìn)口IGBT模塊，助力電力電子行業(yè)自主可控和產(chǎn)業(yè)升級！

傾佳電子楊茜咬住SiC碳化硅MOSFET功率器件三個(gè)必然，勇立功率半導(dǎo)體器件變革潮頭：

傾佳電子楊茜咬住SiC碳化硅MOSFET模塊全面取代IGBT模塊和IPM模塊的必然趨勢！

傾佳電子楊茜咬住SiC碳化硅MOSFET單管全面取代IGBT單管和大于650V的高壓硅MOSFET的必然趨勢！

傾佳電子楊茜咬住650V SiC碳化硅MOSFET單管全面取代SJ超結(jié)MOSFET和高壓GaN 器件的必然趨勢！

執(zhí)行摘要

傾佳電子對輕型商用和家用中央空調(diào)（HVAC）系統(tǒng)中的功率因數(shù)校正（PFC）技術(shù)進(jìn)行了全面的市場與技術(shù)分析。傾佳電子的核心論點(diǎn)是：日益嚴(yán)格的全球能效法規(guī)正使傳統(tǒng)的功率轉(zhuǎn)換方案變得過時(shí)，從而催生了一個(gè)關(guān)鍵的技術(shù)拐點(diǎn)。在這一拐點(diǎn)上，先進(jìn)的無橋圖騰柱（Bridgeless Totem-Pole）PFC拓?fù)渑c碳化硅（SiC）器件卓越性能的協(xié)同組合，正在成為暖通空調(diào)行業(yè)的新標(biāo)準(zhǔn)。分析表明，全球能效標(biāo)準(zhǔn)的趨同，尤其是在2025年前后集中生效的新規(guī)，正迫使原始設(shè)備制造商（OEM）放棄效率存在固有瓶頸的傳統(tǒng)升壓型PFC電路。無橋圖騰柱拓?fù)湟蚱浼軜?gòu)優(yōu)勢，提供了最高的理論效率，但其在連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM）下的運(yùn)行對傳統(tǒng)硅（Si）基功率器件構(gòu)成了難以逾越的技術(shù)障礙，主要體現(xiàn)在硅MOSFET體二極管的嚴(yán)重反向恢復(fù)問題上。碳化硅（SiC）器件，憑借其近乎為零的反向恢復(fù)電荷（Qrr?）、更低的導(dǎo)通電阻（RDS(on)?）和卓越的熱性能，完美地解決了這一難題，從而釋放了CCM圖騰柱PFC拓?fù)涞娜繚摿?。傾佳電子通過量化分析證明，這一技術(shù)轉(zhuǎn)型能夠帶來顯著的系統(tǒng)級價(jià)值：PFC級效率可超過99%，系統(tǒng)整體能效提升2.6%至3.6%；功率密度實(shí)現(xiàn)翻倍增長，達(dá)到40 W/in3以上；并且通過減小散熱器和無源元件的尺寸與成本，實(shí)現(xiàn)了更優(yōu)的總擁有成本（TCO）。因此，對于尋求在未來法規(guī)環(huán)境中保持競爭力的HVAC制造商而言，采納SiC和圖騰柱PFC的組合不僅是一項(xiàng)技術(shù)升級，更是一項(xiàng)必要的戰(zhàn)略決策。

I. 市場格局與暖通空調(diào)電力電子的法規(guī)驅(qū)動力

本章節(jié)旨在闡明驅(qū)動暖通空調(diào)電源系統(tǒng)進(jìn)行根本性重新設(shè)計(jì)的外部力量，即“為何變革”。分析將從宏觀市場趨勢入手，深入探討監(jiān)管機(jī)構(gòu)施加的具體技術(shù)指令，揭示市場需求與法規(guī)壓力如何共同塑造下一代PFC技術(shù)的發(fā)展路徑。

1.1 全球中央空調(diào)市場：規(guī)模、增長軌跡與區(qū)域動態(tài)

全球中央空調(diào)市場規(guī)模龐大且持續(xù)增長，為技術(shù)創(chuàng)新提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。2019年，該市場價(jià)值為329.4億美元，預(yù)計(jì)到2032年將達(dá)到587.9億美元，復(fù)合年增長率（CAGR）為4.2% 。這種穩(wěn)健的增長態(tài)勢表明，市場對暖通空調(diào)系統(tǒng)存在長期且穩(wěn)定的需求，從而為投資下一代高效技術(shù)提供了充分的商業(yè)理由。

在區(qū)域分布上，亞太地區(qū)（APAC）占據(jù)主導(dǎo)地位，2019年市場份額高達(dá)35.37% 。該地區(qū)的增長主要得益于中國、印度等國家在醫(yī)院、酒店、機(jī)場等新建筑和基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目上的巨額投資。這種地理上的集中性對于供應(yīng)鏈布局和市場進(jìn)入策略至關(guān)重要，意味著任何旨在引領(lǐng)行業(yè)的技術(shù)都必須在亞太市場取得成功。

市場的核心驅(qū)動因素是多方面的，包括可支配收入的增加、消費(fèi)者對舒適度和空氣質(zhì)量要求的提升，以及公共和私營部門對住宅和商業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施的持續(xù)投資 。這些因素共同構(gòu)成了一個(gè)不斷擴(kuò)大的市場基礎(chǔ)，對更高能效、更智能化的空調(diào)系統(tǒng)提出了明確需求。

1.2 能效的持續(xù)追求：SEER、ESEER及2025年全球新興能源標(biāo)準(zhǔn)分析

推動暖通空調(diào)電力電子創(chuàng)新的最根本、最強(qiáng)大的驅(qū)動力，源于全球范圍內(nèi)不斷收緊的能效標(biāo)準(zhǔn)。這些標(biāo)準(zhǔn)并非選擇性的建議，而是決定產(chǎn)品能否進(jìn)入市場的強(qiáng)制性要求。無論是美國的季節(jié)能效比（SEER）評級、歐洲的歐洲季節(jié)能效比（ESEER）和季節(jié)性性能系數(shù)（SOP）水平，還是中國的GB21455標(biāo)準(zhǔn)，其共同目標(biāo)都是大幅降低供暖和制冷系統(tǒng)的能源消耗，因?yàn)檫@部分能耗已占全球總能耗的50%以上 。

一個(gè)關(guān)鍵的趨勢是，新一輪更為嚴(yán)苛的法規(guī)浪潮將在2025年前后集中強(qiáng)制實(shí)施。這包括伯利茲 、格魯吉亞 、科威特 、毛里求斯 和印度 等多個(gè)國家和地區(qū)的新標(biāo)準(zhǔn)。這種全球同步的監(jiān)管收緊，為所有主要市場的高效電源轉(zhuǎn)換技術(shù)創(chuàng)造了一種強(qiáng)大且不容協(xié)商的強(qiáng)制性需求。

這種現(xiàn)象表明，2025年不僅是一個(gè)普通的年份，更是一個(gè)關(guān)鍵的設(shè)計(jì)導(dǎo)入截止日期。暖通空調(diào)OEM廠商當(dāng)前的技術(shù)選型將直接決定其在2020年代后半期的市場準(zhǔn)入資格和競爭力。這并非一個(gè)漸進(jìn)式的技術(shù)演進(jìn)，而是一個(gè)由法規(guī)驅(qū)動的、具有明確時(shí)間節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)制技術(shù)采納周期?；谂f有、低效拓?fù)浜驮ㄈ绮捎霉鐼OSFET的標(biāo)準(zhǔn)升壓型PFC）的現(xiàn)有電源設(shè)計(jì)，將難以在成本效益上滿足這些新標(biāo)準(zhǔn)。因此，OEM廠商必須立即評估并驗(yàn)證如無橋圖騰柱PFC和SiC等更高效的新技術(shù)，以確保其產(chǎn)品線在2025年最后期限前完成合規(guī)升級。

1.3 對電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)的影響：將法規(guī)壓力轉(zhuǎn)化為技術(shù)要求

為了滿足這些嚴(yán)苛的新標(biāo)準(zhǔn)，暖通空調(diào)系統(tǒng)必須最大限度地減少所有功率損耗源。其中，AC/DC功率轉(zhuǎn)換級，特別是功率因數(shù)校正（PFC）電路，是優(yōu)化的首要目標(biāo)。

IEC 61000-3-2 A類等法規(guī)不僅要求高效率，還對總諧波失真（THD）和功率因數(shù)（PF）提出了嚴(yán)格限制，通常要求PF大于0.95 。這使得有源PFC電路成為現(xiàn)代暖通空調(diào)設(shè)計(jì)中不可或缺的核心組件 。此外，市場對“智能”和“互聯(lián)”空調(diào)的需求日益增長 , 這進(jìn)一步推動了對能夠支持變速驅(qū)動控制的精密電力電子技術(shù)的需求。而這種精密的控制，又依賴于一個(gè)由高性能PFC級提供的穩(wěn)定、精確調(diào)節(jié)的直流母線電壓。

綜上所述，市場需求與法規(guī)壓力共同指向一個(gè)明確的技術(shù)方向：開發(fā)效率更高、功率因數(shù)更好、諧波失真更低的PFC解決方案。亞太地區(qū)作為全球最大的市場，同時(shí)也在積極推行嚴(yán)格的能效標(biāo)準(zhǔn)（如中國的GB21455），預(yù)示著該地區(qū)將成為高效功率半導(dǎo)體技術(shù)應(yīng)用的主要戰(zhàn)場，這可能會加速SiC等先進(jìn)技術(shù)的成本下降和創(chuàng)新迭代周期 。

II. 功率因數(shù)校正拓?fù)涞募夹g(shù)演進(jìn)

本章節(jié)將詳細(xì)闡述為滿足第一章所述的市場與法規(guī)要求而發(fā)展的工程解決方案，即“如何實(shí)現(xiàn)”。我們將追溯PFC電路的發(fā)展歷程，從傳統(tǒng)方案到前沿架構(gòu)，重點(diǎn)分析各項(xiàng)技術(shù)之間的權(quán)衡，闡明行業(yè)為何最終走向無橋圖騰柱這一革命性架構(gòu)。

2.1 基本原理：有源PFC的必要性

一個(gè)簡單的二極管橋式整流器在從交流電網(wǎng)獲取能量時(shí)，其輸入電流呈非正弦的窄脈沖形態(tài)。這種電流波形導(dǎo)致了極低的功率因數(shù)（通常小于0.7）和嚴(yán)重的諧波失真，這在現(xiàn)代電網(wǎng)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)下是完全不可接受的 。

為解決此問題，有源PFC技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。有源PFC拓?fù)淅酶哳l開關(guān)器件（如MOSFET），通過控制算法主動地將輸入電流波形整形為與輸入電壓同相位的正弦波 。這樣不僅能實(shí)現(xiàn)接近1的理想功率因數(shù)，還能確保系統(tǒng)滿足IEC 61000-3-2等諧波電流限制標(biāo)準(zhǔn)，這對于現(xiàn)代電子設(shè)備至關(guān)重要 。

2.2 傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)：常規(guī)升壓型PFC的性能與局限

在過去的幾十年里，單相連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM）的升壓型（Boost）PFC電路因其結(jié)構(gòu)簡單、控制成熟且成本效益高，一直是行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)解決方案 。

然而，其最根本的架構(gòu)缺陷在于輸入端的全波橋式整流器。在任何工作時(shí)刻，電流路徑上總有兩個(gè)整流二極管處于導(dǎo)通狀態(tài)。這兩個(gè)二極管的導(dǎo)通壓降會產(chǎn)生顯著的導(dǎo)通損耗，這一損耗是該拓?fù)涔逃械模瑹o法消除。正是這個(gè)“二極管橋瓶頸”將傳統(tǒng)升壓型PFC的實(shí)際效率上限鎖定在96%至97%左右，使其難以滿足下一代暖通空調(diào)系統(tǒng)對更高能效的苛刻要求 。

2.3 漸進(jìn)式改進(jìn)：無橋與交錯式PFC架構(gòu)評估

為了突破傳統(tǒng)升壓型PFC的效率瓶頸，業(yè)界開發(fā)了多種“無橋”（Bridgeless）拓?fù)?，其核心目?biāo)是減少或消除輸入整流橋帶來的損耗。

交錯式升壓PFC (Interleaved Boost PFC): 該架構(gòu)并聯(lián)兩個(gè)或多個(gè)升壓轉(zhuǎn)換器，并使其以相位差方式工作。這種設(shè)計(jì)能夠有效降低輸入電流紋波，從而允許使用體積更小、成本更低的電感器。然而，盡管紋波性能得到改善，電流路徑中仍然存在二極管導(dǎo)通損耗，因此其效率提升相對有限 。

雙路升壓PFC (Dual-Boost PFC): 這是一種半無橋拓?fù)?，通過優(yōu)化電路結(jié)構(gòu)，使得在每個(gè)半周期內(nèi)主電流路徑上的導(dǎo)通二極管數(shù)量減少到一個(gè)，相比傳統(tǒng)升壓型PFC有小幅的效率提升 。

總的來說，這些架構(gòu)屬于演進(jìn)式改進(jìn)，它們優(yōu)化了現(xiàn)有框架，但未能從根本上解決問題，效率提升幅度有限。

2.4 范式轉(zhuǎn)移：無橋圖騰柱PFC拓?fù)涞纳疃冉馕?/p>

無橋圖騰柱（Bridgeless Totem-Pole）PFC代表了PFC領(lǐng)域的一次架構(gòu)性飛躍。它通過將整流功能與升壓功能集成在同一個(gè)橋臂結(jié)構(gòu)中，從根本上消除了傳統(tǒng)整流橋，為實(shí)現(xiàn)最高效率鋪平了道路 。

工作原理: 圖騰柱拓?fù)溆蓛蓚€(gè)半橋臂構(gòu)成 ：

工頻橋臂（慢速臂）: 由兩個(gè)開關(guān)器件（例如Q3, Q4）組成，它們以電網(wǎng)頻率（50/60 Hz）進(jìn)行開關(guān)。在交流輸入電壓的正半周，其中一個(gè)開關(guān)持續(xù)導(dǎo)通；在負(fù)半周，另一個(gè)開關(guān)持續(xù)導(dǎo)通。它們的作用相當(dāng)于同步整流器，由于開關(guān)頻率極低，其開關(guān)損耗可以忽略不計(jì)，且導(dǎo)通損耗遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)二極管。

高頻橋臂（快速臂）: 由另外兩個(gè)開關(guān)器件（例如Q1, Q2）組成，它們負(fù)責(zé)執(zhí)行高頻（例如 >65 kHz）的脈寬調(diào)制（PWM）開關(guān)動作，以精確地形成功率因數(shù)校正所需的輸入電流，并實(shí)現(xiàn)電壓提升。絕大部分的開關(guān)損耗都發(fā)生在這個(gè)橋臂。

“硅基器件的障礙” (The Silicon Barrier): 圖騰柱拓?fù)涞木薮鬂摿σ舶殡S著一個(gè)嚴(yán)峻的技術(shù)挑戰(zhàn)，這個(gè)挑戰(zhàn)集中在高頻橋臂。當(dāng)拓?fù)涔ぷ髟趯Υ蠊β蕬?yīng)用至關(guān)重要的CCM模式時(shí)，在兩個(gè)高頻開關(guān)的死區(qū)時(shí)間內(nèi)，其中一個(gè)MOSFET的體二極管必須反向?qū)ㄒ岳m(xù)流。如果使用傳統(tǒng)的硅（Si）MOSFET，其體二極管在關(guān)斷時(shí)會產(chǎn)生巨大的反向恢復(fù)電流（Irr?）和反向恢復(fù)電荷（Qrr?）。這個(gè)反向恢復(fù)過程會引發(fā)極高的開關(guān)損耗和電壓尖峰，不僅急劇降低效率，還可能導(dǎo)致器件損壞甚至失效。這一致命缺陷使得采用硅MOSFET的CCM圖騰柱PFC在實(shí)際應(yīng)用中幾乎不可行 。

從技術(shù)演進(jìn)的路徑來看，從傳統(tǒng)升壓型到圖騰柱PFC的轉(zhuǎn)變，并不僅僅是為了追求幾個(gè)百分點(diǎn)的效率提升，而是一次戰(zhàn)略性的架構(gòu)升級。傳統(tǒng)升壓型PFC的效率受限于輸入二極管橋的物理壓降，這是一個(gè)無法逾越的架構(gòu)瓶頸 。而圖騰柱拓?fù)渫ㄟ^集成整流與升壓功能，將主電流路徑上的導(dǎo)通結(jié)數(shù)量減至最少（任何時(shí)刻僅有一個(gè)慢速臂開關(guān)和一個(gè)快速臂開關(guān)導(dǎo)通）。這種架構(gòu)的純粹性意味著其效率的上限主要由開關(guān)器件本身的性能決定，而非受制于一個(gè)無法移除的結(jié)構(gòu)性損耗源。因此，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步（即SiC的應(yīng)用），圖騰柱拓?fù)涞男誓軌蛑苯与S之提升，使其成為一個(gè)更具可擴(kuò)展性和面向未來的卓越平臺。

III. 碳化硅（SiC）：下一代PFC的使能技術(shù)

本章節(jié)將聚焦于解決第二章所述拓?fù)浼夹g(shù)瓶頸的關(guān)鍵器件技術(shù)，即“用什么實(shí)現(xiàn)”。我們將深入探討碳化硅（SiC）材料的物理特性如何轉(zhuǎn)化為實(shí)際的器件性能優(yōu)勢，并闡明為何SiC是釋放圖騰柱PFC全部潛力的唯一可行選擇。

3.1 碳化硅相較于硅的根本材料優(yōu)勢

碳化硅是一種寬禁帶（WBG）半導(dǎo)體材料，其物理特性從根本上超越了傳統(tǒng)的硅。SiC的禁帶寬度約為硅的3倍，臨界擊穿場強(qiáng)高出近10倍，熱導(dǎo)率也高出約3倍 。這些卓越的材料特性使得SiC器件能夠在比同類硅器件更高的電壓、更高的溫度和更高的開關(guān)頻率下運(yùn)行，同時(shí)保持顯著更低的功率損耗 。

3.2 性能剖析：SiC MOSFET與二極管的技術(shù)評估

SiC的材料優(yōu)勢具體體現(xiàn)在以下幾個(gè)關(guān)鍵的器件性能指標(biāo)上，這些指標(biāo)對于高性能PFC應(yīng)用至關(guān)重要。

近乎為零的反向恢復(fù)電荷 (Qrr?): 這是SiC在本應(yīng)用中最重要的優(yōu)勢。與硅MOSFET不同，SiC MOSFET的體二極管是一種單極性器件，在導(dǎo)通過程中沒有少數(shù)載流子注入。這使得其反向恢復(fù)電荷（Qrr?）幾乎可以忽略不計(jì)，通常比最先進(jìn)的硅超結(jié)（Super-Junction）MOSFET低8到10倍 。例如，B3D30065H SiC二極管的數(shù)據(jù)手冊明確將其“零反向恢復(fù)電流”列為核心特性 。這一特性從根本上消除了CCM圖騰柱PFC拓?fù)渲械闹饕_關(guān)損耗源，是實(shí)現(xiàn)該拓?fù)涞年P(guān)鍵。

低導(dǎo)通電阻 (RDS(on)?) 與開關(guān)損耗 (Eon?/Eoff?): SiC器件能在較小的芯片面積上實(shí)現(xiàn)極低的導(dǎo)通電阻。以B3M040065Z SiC MOSFET為例，其在25°C時(shí)的典型$R_{DS(on)}$僅為40 mΩ 。此外，由于其極低的寄生電容（$C_{iss}$, $C_{oss}$, $C_{rss}$），其開關(guān)能量（$E_{on}$, $E_{off}$）也非常低，例如關(guān)斷能量$E_{off}$僅為約27-29 μJ 。這保證了其在極高開關(guān)頻率下的高效運(yùn)行。

卓越的熱性能: SiC器件具有更高的最高工作結(jié)溫（例如B3M040065Z的$T_{j,max}為175°C）和更高的熱導(dǎo)率，使得熱量能夠更有效地從芯片中散發(fā)出去[22,28,29]。這直接轉(zhuǎn)化為更小尺寸的散熱器，甚至在某些情況下可以實(shí)現(xiàn)無風(fēng)扇的被動散熱，從而顯著減小系統(tǒng)體積和成本。同時(shí)，SiC器件的R_{DS(on)}$隨溫度變化的穩(wěn)定性也優(yōu)于硅器件 。

3.3 釋放潛力：SiC如何使能高頻CCM圖騰柱PFC

綜合以上分析，SiC器件與CCM圖騰柱PFC拓?fù)渲g存在一種深刻的共生關(guān)系。SiC MOSFET近乎為零的$Q_{rr}$特性 ，直接解決了2.4節(jié)中描述的“硅基器件的障礙”。它使得圖騰柱拓?fù)涞母哳l橋臂能夠在CCM模式下高效運(yùn)行，而不會產(chǎn)生災(zāi)難性的反向恢復(fù)損耗 。

CCM模式對于大于1.5 kW的暖通空調(diào)等大功率應(yīng)用是首選工作模式，因?yàn)樗哂凶畹偷姆逯惦娏骱陀行е惦娏?。這不僅能最大限度地減小開關(guān)器件和電感器的導(dǎo)通損耗，還能降低對EMI濾波器的要求，相比于斷續(xù)導(dǎo)通模式（DCM）或臨界導(dǎo)通模式（CrM）具有明顯優(yōu)勢 。

因此，圖騰柱拓?fù)涮峁┝藢?shí)現(xiàn)最高效率的理想架構(gòu)，而SiC則提供了實(shí)現(xiàn)該架構(gòu)在CCM模式下穩(wěn)定高效運(yùn)行所必需的理想開關(guān)器件。二者的結(jié)合并非簡單的性能疊加，而是一種技術(shù)上的相互成就。圖騰柱拓?fù)錇镾iC的低$Q_{rr}$優(yōu)勢提供了一個(gè)能最大化其系統(tǒng)級價(jià)值的應(yīng)用場景，從而證明了其相對較高的器件成本是合理的。反之，沒有SiC，圖騰柱PFC的最高效形態(tài)也無法在實(shí)際工程中實(shí)現(xiàn)。

此外，SiC器件的引入正在推動整個(gè)功率轉(zhuǎn)換鏈的協(xié)同創(chuàng)新。其極快的開關(guān)速度（高dv/dt）和獨(dú)特的柵極驅(qū)動電壓要求，催生了對更先進(jìn)、更可靠的柵極驅(qū)動器IC的需求。這些驅(qū)動器必須具備高共模瞬態(tài)抗擾度（CMTI）和諸如兩級關(guān)斷等特殊保護(hù)功能，以應(yīng)對電壓過沖等挑戰(zhàn) 。這正催生出一個(gè)專注于高性能SiC優(yōu)化支持芯片的新興子市場。

IV. 量化SiC在暖通空調(diào)系統(tǒng)中的價(jià)值主張

本章節(jié)旨在將第三章所闡述的技術(shù)優(yōu)勢轉(zhuǎn)化為可衡量的、與商業(yè)決策直接相關(guān)的指標(biāo)，包括效率、功率密度、成本和可靠性。其目的是為暖通空調(diào)行業(yè)采納SiC技術(shù)構(gòu)建一個(gè)堅(jiān)實(shí)的商業(yè)案例。

4.1 效率與性能增益

PFC級效率: 采用SiC MOSFET的圖騰柱PFC拓?fù)洌銹FC級的效率能夠穩(wěn)定地達(dá)到99%甚至更高。這已在眾多參考設(shè)計(jì)和原型機(jī)中得到驗(yàn)證 。與采用硅器件的傳統(tǒng)升壓型PFC（效率約96-97%）相比，這是一個(gè)2到3個(gè)百分點(diǎn)的巨大飛躍。

系統(tǒng)整體效率: PFC級的效率提升會直接轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)整體能效的顯著改善。研究表明，當(dāng)暖通空調(diào)系統(tǒng)中的PFC二極管和逆變器開關(guān)均從硅器件升級為SiC器件后，系統(tǒng)總效率可提升2.6%至3.6% 。如此幅度的提升，可以直接幫助暖通空調(diào)成品獲得更高的SEER能效評級，從而在市場上獲得競爭優(yōu)勢。

功率損耗降低: 以一個(gè)3 kW的系統(tǒng)為例，3.6%的效率提升意味著減少了超過140W的功率損耗（即廢熱）。這極大地簡化了系統(tǒng)的熱管理設(shè)計(jì)，降低了對散熱系統(tǒng)的要求。

4.2 功率密度與系統(tǒng)小型化

開關(guān)頻率與無源元件尺寸: SiC器件極低的開關(guān)損耗使其能夠在遠(yuǎn)高于硅器件的頻率下高效工作。例如，SiC PFC的開關(guān)頻率可輕松達(dá)到65 kHz至500 kHz以上，而傳統(tǒng)的硅IGBT通常被限制在20 kHz以下 。根據(jù)電磁學(xué)原理，電感器和電容器等無源儲能元件的體積與開關(guān)頻率成反比 。

案例分析: 借助高頻工作的優(yōu)勢，基于SiC的PFC設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了驚人的功率密度。已有設(shè)計(jì)案例展示了超過40 W/in3 ，甚至在高度優(yōu)化的設(shè)計(jì)中達(dá)到了超過180 W/in3 的功率密度 。這種小型化能力使得電源模塊的體積和重量大幅減小，這對于追求緊湊、現(xiàn)代化外觀設(shè)計(jì)的暖通空調(diào)OEM廠商而言，是一個(gè)關(guān)鍵的差異化優(yōu)勢 。

4.3 綜合成本效益分析

采納SiC的決策并非簡單的器件替換，而是一項(xiàng)需要進(jìn)行全面系統(tǒng)成本評估的戰(zhàn)略選擇。

器件價(jià)格 vs. 系統(tǒng)物料清單（BOM）成本: 盡管單個(gè)SiC MOSFET的采購價(jià)格高于同規(guī)格的硅器件（例如，約為硅IGBT的3倍），但這種初期的器件成本溢價(jià)完全可以被系統(tǒng)級的成本節(jié)省所抵消。

系統(tǒng)級BOM成本降低:

散熱系統(tǒng): 效率的大幅提升意味著廢熱減少，從而可以采用體積更小、成本更低的散熱器，甚至在某些情況下取消風(fēng)扇 。

無源元件: 開關(guān)頻率的提高直接導(dǎo)致電感器和電容器的體積、重量和成本顯著下降。在傳統(tǒng)的硅基方案中，這些無源元件的成本可能占到總BOM成本的90% 。

器件數(shù)量: 結(jié)構(gòu)更簡潔的圖騰柱拓?fù)湎啾扔谀承?fù)雜的交錯式方案，可以減少功率器件的總數(shù)量，進(jìn)一步優(yōu)化成本 。

總擁有成本 (TCO): 對于最終用戶而言，雖然購買搭載SiC技術(shù)的暖通空調(diào)設(shè)備的前期成本可能略高，但這部分投入將通過設(shè)備全生命周期內(nèi)節(jié)省的大量電費(fèi)得到回報(bào)。2-4%的運(yùn)行效率提升意味著長期的能源節(jié)約，這是計(jì)算TCO和進(jìn)行市場推廣時(shí)的有力論據(jù) 。

4.4 可靠性與長期性能

現(xiàn)場可靠性: SiC器件已在各種嚴(yán)苛應(yīng)用中證明了其卓越的可靠性?，F(xiàn)場數(shù)據(jù)顯示，其失效率（FIT）低于5 FIT（每十億器件小時(shí)的失效率），累計(jì)現(xiàn)場運(yùn)行時(shí)間已超過數(shù)萬億器件小時(shí) 。

失效機(jī)理: 盡管SiC器件非常堅(jiān)固，但它們也存在獨(dú)特的長期老化機(jī)制，如柵極氧化層退化和由熱循環(huán)引起的鍵合線疲勞。在進(jìn)行可靠性設(shè)計(jì)時(shí)，必須充分考慮這些因素 。

使用壽命: 壽命預(yù)測模型表明，在典型的暖通空調(diào)應(yīng)用工況下，基于SiC的轉(zhuǎn)換器可以實(shí)現(xiàn)超過十年的運(yùn)行壽命。然而，實(shí)際壽命高度依賴于具體的工作任務(wù)剖面和熱管理設(shè)計(jì)的優(yōu)劣 。

綜上所述，采納SiC的決策是一個(gè)系統(tǒng)工程。只有當(dāng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、開關(guān)頻率、無源元件和熱管理系統(tǒng)被協(xié)同優(yōu)化時(shí)，SiC的價(jià)值才能被完全釋放。零散的、漸進(jìn)式的改進(jìn)無法實(shí)現(xiàn)這種乘數(shù)效應(yīng)。因此，成功的SiC實(shí)施需要跨越電氣、磁性、熱學(xué)等多個(gè)工程領(lǐng)域的并行設(shè)計(jì)和深度整合。

V. 戰(zhàn)略展望與建議

傾佳電子的最后部分將基于前述的全面分析，為價(jià)值鏈中的不同參與者提供具有前瞻性和可操作性的戰(zhàn)略建議，以應(yīng)對即將到來的技術(shù)變革。

5.1 不可避免的轉(zhuǎn)型：暖通空調(diào)行業(yè)SiC采納率預(yù)測

鑒于法規(guī)的強(qiáng)制性壓力（第一章）、技術(shù)上存在明顯更優(yōu)的解決方案（第二、三章）以及積極的TCO模型（第四章）這三大因素的共同作用，中高端暖通空調(diào)系統(tǒng)向基于SiC的圖騰柱PFC轉(zhuǎn)型已不是“是否會發(fā)生”的問題，而是“何時(shí)會普及”的問題。

預(yù)計(jì)SiC技術(shù)的采納將遵循經(jīng)典的“S型曲線”：首先在對性能要求最高的輕型商用空調(diào)和高端家用中央空調(diào)中得到應(yīng)用，然后隨著SiC器件成本的持續(xù)下降和規(guī)模效應(yīng)的顯現(xiàn)，逐步滲透到更廣泛的中端市場。

5.2 針對OEM的設(shè)計(jì)與集成路線圖

建議1：立即啟動CCM圖騰柱PFC的研發(fā)項(xiàng)目。 暖通空調(diào)OEM廠商不應(yīng)等到2025年法規(guī)強(qiáng)制執(zhí)行時(shí)才采取行動。鑒于新拓?fù)涞拈_發(fā)、驗(yàn)證和供應(yīng)鏈整合需要時(shí)間，現(xiàn)在是啟動相關(guān)項(xiàng)目的最佳時(shí)機(jī)。

建議2：投資于高頻磁性元件設(shè)計(jì)和先進(jìn)熱管理的工程能力。 設(shè)計(jì)一個(gè)100 kHz的SiC系統(tǒng)所需的技能組合與設(shè)計(jì)一個(gè)20 kHz的硅IGBT系統(tǒng)截然不同。OEM廠商需要培養(yǎng)或引進(jìn)在高速電路布局、高頻電感設(shè)計(jì)和精密熱建模方面的專業(yè)人才。

建議3：與提供全面支持的半導(dǎo)體供應(yīng)商建立緊密合作。 選擇那些不僅提供高性能器件，還能提供完整參考設(shè)計(jì) 、強(qiáng)大的仿真工具 以及在SiC柵極驅(qū)動和布局方面擁有深厚應(yīng)用專業(yè)知識的供應(yīng)商，這將大大降低OEM的技術(shù)門檻，并加速其產(chǎn)品上市進(jìn)程。

深圳市傾佳電子有限公司（簡稱“傾佳電子”）是聚焦新能源與電力電子變革的核心推動者：
傾佳電子成立于2018年，總部位于深圳福田區(qū)，定位于功率半導(dǎo)體與新能源汽車連接器的專業(yè)分銷商，業(yè)務(wù)聚焦三大方向：
新能源：覆蓋光伏、儲能、充電基礎(chǔ)設(shè)施；
交通電動化：服務(wù)新能源汽車三電系統(tǒng)（電控、電池、電機(jī)）及高壓平臺升級；
數(shù)字化轉(zhuǎn)型：支持AI算力電源、數(shù)據(jù)中心等新型電力電子應(yīng)用。
公司以“推動國產(chǎn)SiC替代進(jìn)口、加速能源低碳轉(zhuǎn)型”為使命，響應(yīng)國家“雙碳”政策（碳達(dá)峰、碳中和），致力于降低電力電子系統(tǒng)能耗。
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5.3 針對半導(dǎo)體制造商的競爭定位策略

將應(yīng)用支持的重點(diǎn)從器件級參數(shù)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)級價(jià)值。 僅僅宣傳器件的低$R_{DS(on)}$或高速度是不夠的。制造商應(yīng)能量化并向客戶清晰地傳達(dá)其SiC解決方案如何幫助客戶實(shí)現(xiàn)更高的SEER評級、更低的TCO、更高的功率密度等系統(tǒng)級優(yōu)勢。

開發(fā)針對暖通空調(diào)功率段（如1-7 kW）優(yōu)化的SiC器件產(chǎn)品組合。 提供一系列具有不同$R_{DS(on)}$規(guī)格、采用高性價(jià)比封裝（如B3M040065Z所用的TO-247封裝）的SiC MOSFET和二極管，以滿足不同成本和性能目標(biāo)的需求 。

提供穩(wěn)健、易于實(shí)施的圖騰柱PFC參考設(shè)計(jì)和評估套件。 通過提供經(jīng)過驗(yàn)證的硬件和軟件解決方案，半導(dǎo)體制造商可以顯著降低暖通空調(diào)OEM廠商的開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)和前期投入，從而加速其自身技術(shù)的市場滲透。

5.4 結(jié)論性分析：共生關(guān)系定義未來

傾佳電子最終重申其核心主題：暖通空調(diào)系統(tǒng)高效電源轉(zhuǎn)換的未來，將由先進(jìn)電路拓?fù)渑c寬禁帶半導(dǎo)體之間強(qiáng)大的協(xié)同效應(yīng)所定義。無橋圖騰柱PFC提供了實(shí)現(xiàn)終極效率的理想架構(gòu)框架，而碳化硅則為有效執(zhí)行這一架構(gòu)提供了必需的原始性能。二者的結(jié)合創(chuàng)造了一個(gè)“1+1>2”的解決方案，它不僅是應(yīng)對當(dāng)前法規(guī)挑戰(zhàn)的工具，更將成為定義未來十年行業(yè)性能的新基準(zhǔn)。對于產(chǎn)業(yè)鏈中的所有參與者而言，理解并擁抱這一共生關(guān)系，是抓住未來市場機(jī)遇的關(guān)鍵。

審核編輯 黃宇