熱泵背后的技術(shù)：智能功率模塊

熱泵市場(chǎng)的增長(zhǎng)

熱泵是一種既高效又環(huán)保的供暖方式，其可靠性和實(shí)用性已得到充分驗(yàn)證。它是推動(dòng)全球向可持續(xù)供暖趨勢(shì)發(fā)展的核心力量，運(yùn)行所需的電力具有低排放的特點(diǎn)。在與傳統(tǒng)鍋爐、低排放氫能以及其他可再生能源和常規(guī)建筑系統(tǒng)相比時(shí)，能效是評(píng)估熱泵的關(guān)鍵因素。

通過(guò)改用熱泵，歐盟（EU）可以大幅減少用于取暖的天然氣用量。由于俄羅斯與烏克蘭之間持續(xù)沖突導(dǎo)致天然氣價(jià)格漲至最高點(diǎn)，這也將有助于減少天然氣的使用量。2021 年全球熱泵銷(xiāo)售增長(zhǎng)率超過(guò) 15%，是前十年增長(zhǎng)率的兩倍。歐盟的銷(xiāo)售額增長(zhǎng)了驚人的 35%，這是推動(dòng)這一增長(zhǎng)的主要因素。

預(yù)計(jì) 2021-2026 年的復(fù)合年增長(zhǎng)率（CAGR）為 9.5%，全球熱泵市場(chǎng)的收入將從 2021 年的 532 億美元增至 2026 年的 835 億美元。歐盟的熱泵安裝量預(yù)計(jì)將比 2021 年大幅增長(zhǎng) 335%，到 2030 年將超過(guò) 670 萬(wàn)臺(tái)。根據(jù)一份 EIA 報(bào)告指出，到 2030 年，全球熱泵安裝量將從 2020 年的 1.8 億臺(tái)增加到約 6 億臺(tái)。

功率模塊對(duì)提高熱泵效率的重要性

換向閥熱泵是一種用于制冷和供暖的多功能、高能效技術(shù)。熱泵可以通過(guò)換向閥改變制冷劑的流動(dòng)方向，從而實(shí)現(xiàn)供暖或制冷。在此過(guò)程中，空氣通過(guò)蒸發(fā)器盤(pán)管，促進(jìn)熱能從空氣轉(zhuǎn)移到制冷劑。熱能在制冷劑中循環(huán)，然后通過(guò)冷凝器盤(pán)管釋放出來(lái)，同時(shí)風(fēng)扇將空氣吹過(guò)盤(pán)管。在此過(guò)程中，熱能從一個(gè)位置傳遞到另一個(gè)位置，如下圖 1 所示。隨著我們努力實(shí)現(xiàn)未來(lái)無(wú)碳排放，具有高效電機(jī)控制能力的功率半導(dǎo)體需求量很大。在提高效率的同時(shí)減小系統(tǒng)的整體尺寸和成本至關(guān)重要。

換向閥室內(nèi)盤(pán)管壓縮機(jī)制冷劑沸騰蒸發(fā)制冷劑從空氣中吸收熱量換向閥制冷劑沸騰蒸發(fā)制冷劑從空氣中吸收熱量壓縮機(jī)膨脹閥室內(nèi)盤(pán)管室外盤(pán)管膨脹閥圖 1：熱泵的工作原理

實(shí)施針對(duì)壓縮機(jī)和泵的新能效規(guī)定，需要將電子控制電機(jī)融入設(shè)計(jì)中，這為電力電子設(shè)計(jì)人員帶來(lái)了額外的挑戰(zhàn)。在冷卻系統(tǒng)中使用帶有智能功率模塊（IPM）技術(shù)的變頻系統(tǒng)，已被廣泛認(rèn)可能比非變頻系統(tǒng)減少30%的電力消耗。

IPM 通過(guò)精確調(diào)節(jié)輸送到三相電機(jī)的電流的頻率和電壓，來(lái)調(diào)節(jié)熱泵系統(tǒng)中變頻壓縮機(jī)和風(fēng)扇的功率流（圖 2）。高效控制電機(jī)有助于達(dá)到壓縮機(jī)和泵更高的能效標(biāo)準(zhǔn)。選擇高能效、結(jié)構(gòu)緊湊的 IPM 產(chǎn)品不僅能節(jié)約能源，還能讓設(shè)計(jì)人員節(jié)省安裝空間，提高性能，同時(shí)縮短開(kāi)發(fā)周期。例如，安森美（onsemi）公司的SPM31系列1200V IGBT就是三相熱泵應(yīng)用的理想解決方案。

圖 2：三相熱泵方框圖

SPM 31：高能效電機(jī)控制

SPM31系列IPM集成了最新的場(chǎng)截止7（FS7）IGBT技術(shù)和第七代二極管技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了卓越的效率和穩(wěn)固性。這兩項(xiàng)技術(shù)顯著降低了電磁干擾（EMI），減少了功率損耗，并提高了功率密度。這些模塊配備了柵極驅(qū)動(dòng)IC以及諸如欠壓鎖定、過(guò)流關(guān)斷、溫度監(jiān)控和故障報(bào)告等其他保護(hù)功能（圖3）。

圖 3：熱泵系統(tǒng)中的 1200 V SPM31系列 IPM產(chǎn)品

此外，與上一代解決方案和其他 IPM 替代產(chǎn)品相比，SPM31 IPM 的尺寸更小（54.5 mm x 31mm x 5.6 mm）（圖 4）。SPM31 解決方案實(shí)現(xiàn)了高功率密度、更高性能和更低的系統(tǒng)總成本。由于在較小的封裝尺寸內(nèi)具有很強(qiáng)的穩(wěn)定性，因此是節(jié)省安裝空間的理想解決方案。

圖 4：SPM 31 IPM 封裝

SPM31產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)減小占用面積及增強(qiáng)可靠性的低功耗模塊。為此，SPM31 采用了新型 FS7 IGBT 技術(shù)、基于壓鑄模型封裝的增強(qiáng)型直接覆銅(Direct Bonded Copper, DBC)襯底，以及新型柵極驅(qū)動(dòng)高壓集成電路（HVIC）來(lái)實(shí)現(xiàn)。

SPM31 用于驅(qū)動(dòng)低壓側(cè) IGBT 的低壓集成電路（LVIC）具有溫度感應(yīng)功能，可提高系統(tǒng)的整體可靠性。LVIC 可產(chǎn)生與其溫度成正比的模擬信號(hào)。該電壓用于監(jiān)控模塊的溫度，并實(shí)施必要的保護(hù)措施以防止過(guò)熱。

SPM31的一個(gè)相關(guān)特性是其集成的HVIC能高效工作，將邏輯電平的柵極輸入轉(zhuǎn)換為隔離的、不同電平的柵極驅(qū)動(dòng)，這對(duì)于模塊內(nèi)高壓側(cè)IGBT的高效運(yùn)行至關(guān)重要。每個(gè)相位都有獨(dú)立的 IGBT 負(fù)極端子，以適應(yīng)各種控制方法。

對(duì)于大功率應(yīng)用而言，封裝的散熱能力對(duì)于確保所需性能至關(guān)重要。高質(zhì)量封裝技術(shù)的關(guān)鍵在于能夠保持出色散熱性能的同時(shí)優(yōu)化封裝尺寸，且不降低絕緣等級(jí)。SPM31器件采用了DBC襯底技術(shù)，使其具備卓越的散熱性能。這項(xiàng)技術(shù)提高了可靠性和散熱能力。功率芯片被物理固定在DBC襯底上（圖5）。

圖 5：SPM 31 封裝的橫截面圖

結(jié)語(yǔ)

熱泵的性能預(yù)計(jì)將是普通燃料鍋爐的三倍，到 2030 年，熱泵的安裝量將增加三倍，從每月 150 萬(wàn)臺(tái)增加到約 500 萬(wàn)臺(tái)。像安森美SPM31 IPM系列等功率半導(dǎo)體技術(shù)不僅能提高熱泵系統(tǒng)的效率，還將減少能源消耗和碳排放。

參考文獻(xiàn)

1 MarketAndMarkets，熱泵市場(chǎng)--2029 年全球預(yù)測(cè)

2 國(guó)際能源機(jī)構(gòu)報(bào)告，到 2030 年安裝約 6 億臺(tái)熱泵，滿(mǎn)足 20% 的建筑供暖需求