目前全球每年銷售約2.2億臺冰箱和冰柜，2024年市場規模約為750億美元。預計該市場將以6.27%的年復合增長率持續增長，到2032年將達到約1200億美元。當前冰箱壓縮機驅動主要采用兩種硅基技術：一種是IGBT，另一種是高壓(HV)MOSFET。

在這兩種技術中，高壓MOSFET的采用正在加速，這主要得益于兩大趨勢。第一個趨勢是冰箱壓縮機系統的變頻化，通過采用變頻技術提高冰箱壓縮機的效率、性能和壽命。

對更高能效的需求

傳統壓縮機以固定速度運行，通過不斷啟停來維持所需溫度。這種啟停循環會導致能源浪費。相比之下，變頻壓縮機根據制冷需求調整速度，在需要較少制冷時以更低速度持續運行，具有節能、溫度穩定、降噪和延長壓縮機壽命等優勢。這一趨勢推動了對高壓MOSFET等性能優化的分立器件的需求，而非IGBT。第二個趨勢是對系統設計和元件選擇提出更嚴格的法規要求。

到2026年，中國將實施新的能效標準，這將推動幾乎所有冰箱優化設計以滿足該標準，并增加變頻比例以提高能效。總而言之，供應商必須尋找更創新的方法來提高變頻階段的效率，尤其是在輕載運行時。英飛凌的新型CoolMOS 8正是針對這一現代挑戰，在成本競爭力和高性能之間取得平衡，以滿足低能耗的要求。

冰箱運行模式

在冰箱的使用壽命中，主要有三種運行模式。第一種是100%功率的快速降溫模式。冰箱從環境溫度開始啟動，壓縮機以最大功率運行進行降溫。這種情況在冰箱的使用壽命中只發生幾次，例如新冰箱首次通電或移動到新位置時。

第二種是約50%功率的額定負載運行。當冰箱門打開，人們存放或取用食物時，壓縮機以較高功率運行以保持冷卻。這實際上取決于每個家庭的使用頻率，例如每天開門約10次，每次10秒。第三種是約20%功率的輕載運行。

當門關閉時，壓縮機以低功率運行以維持溫度。這占使用壽命的絕大部分，約95%。因此，輕載時的效率對于冰箱運行的節能最為關鍵。為了提高能效并獲得更高的能源之星評級，冰箱制造商更加重視提高輕載效率。

CoolMOS 8

英飛凌最新的600 V CoolMOS 8(CM8)在高壓超結MOSFET技術領域處于領先地位，為技術和性價比樹立了新標準。該系列配備了集成快速體二極管，提供更低的反向恢復電荷，適用于硬開關電機驅動應用。通過.xT封裝互連技術，熱阻改善了高達50%，與上一代PFD7系列相比，具有更好的熱性能。它滿足Class 2級別的ESD HBM分類，這是家電設計中必備的要求。

評估平臺

為了更好地評估不同技術在冰箱壓縮機驅動應用中的性能，我們使用了圖1中英飛凌的參考板。這是一塊專為三相旋轉冰箱壓縮機設計的單層PCB，沒有散熱器。它采用IMD111T[5]運行，這是一款內置微控制器和三相柵極驅動器的智能驅動器。被測器件是六個分立功率開關，可以是IGBT或高壓MOSFET。

圖2顯示了測試平臺的設置。輸入采用300 V直流電源。功率表分別用于測量輸入直流功率、輸出交流功率和輔助功率。熱電偶連接到低側中間相晶體管器件的殼體以監測殼體溫度。被測器件的效率可以表示為η = 交流功率/(直流功率-輔助功率)×100%。

效率測量

評估中包括了幾種器件技術：英飛凌的600 V/600 mΩ CM8 MOSFET、600 V/600 mΩ PFD7 MOSFET、600 V/6 A RCD2 IGBT，以及一款競爭對手的600 V/600 mΩ MOSFET。所有器件均采用相同的DPAK封裝，該封裝在此應用中已被廣泛采用。冰箱驅動的典型開關頻率為4 kHz至6 kHz。因此，評估中采用了5 kHz三相SVPWM方案。電路板置于保持25°C環境溫度的封閉空間中。功率測試從輕載30W到滿載300W。效率曲線如圖3所示。

從測量中可以看出，MOSFET在整個負載范圍內的效率均高于IGBT，從而在所有冰箱運行模式下提供更好的節能效果。效率在100W時達到峰值，CM8在所有對比技術中以98.5%的峰值效率位居榜首。在輕載60W(20%負載)時，CM8效率為98.4%，而RCD2 IGBT僅為97.2%，CM8領先IGBT 1.2%。在10%負載時，CM8的優勢更為明顯，領先IGBT 1.6%。在滿載時，CM8提供97.2%的效率，仍領先IGBT 1.2%。

與上一代PFD7相比，CM8在20%輕載時效率提升0.2%，在100%滿載時提升0.6%。CM8在整個負載范圍內領先競爭高壓MOSFET 0.6%至1%。

圖4顯示了不同負載條件下的殼體溫度測量。可以看出，這很好地反映了效率測量結果，CM8在整個負載范圍內的溫度讀數最低。這也意味著與其他技術相比，CM8在冰箱使用壽命期間的運行更為可靠。

我們還測試了3kHz和10kHz的額外開關頻率以展示CM8的能力，效率曲線如圖5所示。基本上，頻率變化對輕載效率的影響更大，因為開關損耗更為突出。如果在輕載時能夠實現頻率變化，將獲得更高的效率提升。

結論

本文研究并比較了幾種功率器件技術在冰箱壓縮機驅動應用中的效率。通過這些測量，CM8被證明是最佳選擇，其在整個負載范圍內的損耗最低，與IGBT解決方案相比效率提升1.2%至1.6%。采用CM8后，冰箱的能耗將大幅降低，并滿足更高能源之星評級的要求。