本文作者：Arnold Lee，安森美應(yīng)用經(jīng)理

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年全球熱泵銷售增長(zhǎng)率超過15%，是前十年增長(zhǎng)率的兩倍。歐盟的銷售額增長(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670 萬臺(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

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。在此過程中，空氣通過蒸發(fā)器盤管，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)，然后通過冷凝器盤管釋放出來，同時(shí)風(fēng)扇將空氣吹過盤管。

在此過程中，熱能從一個(gè)位置傳遞到另一個(gè)位置。隨著我們努力實(shí)現(xiàn)未來無碳排放，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。

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通過精確調(diào)節(jié)輸送到三相電機(jī)的電流的頻率和電壓，來調(diào)節(jié)熱泵系統(tǒng)中變頻壓縮機(jī)和風(fēng)扇的功率流。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)縮短開發(fā)周期。例如，安森美（onsemi）公司的SPM31系列1200VIGBT就是三相熱泵應(yīng)用的理想解決方案。

圖 ：三相熱泵方框圖

SPM31：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、過流關(guān)斷、溫度監(jiān)控和故障報(bào)告等其他保護(hù)功能。

此外，與上一代解決方案和其他IPM 替代產(chǎn)品相比，SPM31IPM 的尺寸更?。?4.5mm x 31mm x 5.6 mm）。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。

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 FS7IGBT 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 ：SPM31 封裝的橫截面圖

結(jié)語

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 萬臺(tái)增加到約500 萬臺(tái)。像安森美SPM31IPM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。