热泵背后的技术：智能功率模块

提到热泵市场的增长—热泵是一种既高效又环保的供暖方式，其可靠性和实用性已得到充分验证。它是推动全球向永续供暖趋势发展的核心力量，运行所需的电力具有低排放的特点。在与传统锅炉、低排放氢能以及其他再生能源和常规建筑系统相比时，效能是评估热泵的关键因素。
透过改用热泵，欧盟（EU）可以大幅减少用于取暖的天然气用量。由于俄罗斯与乌克兰之间持续冲突，导致天然气价格涨至最高点，这也将有助于减少天然气的使用量。2021 年全球热泵销售增长率超过 15%，是前十年增长率的两倍。欧盟的销售额增长了惊人的 35%，这是推动此一增长的主要因素。
预计2021~2026年的复合年增长率（CAGR）为 9.5%，全球热泵市场的收入将从 2021 年的 532 亿美元增至 2026 年的 835 亿美元。欧盟的热泵安装量预计将比 2021 年大幅增长 335%，至 2030 年将超过 670 万台。根据一份 EIA 报告指出，至2030 年，全球热泵安装量将从 2020 年的 1.8 亿台增加到约 6 亿台。

功率模块对提高热泵效率的重要性
热泵是一种用于制冷和供暖的多功能、高效能技术。热泵可以透过换向阀改变制冷剂的流动方向，达到供暖或制冷。在此过程中，空气透过蒸发器盘管，促进热能从空气转移到制冷剂。热能在制冷剂中循环，然后透过冷凝器盘管释放出来，同时风扇将空气吹过盘管。在此过程中，热能从一个位置传递到另一个位置，如图一所示。
随着努力实现未来无碳排放，具有高效马达控制能力的功率半导体需求量很大。在提高效率的同时减小系统的整体尺寸和成本至关重要。


 
图一 : 热泵的工作原理

压缩机和泵的新效能规定的实施，需要将电子控制电机融入设计中，这为电力电子设计人员带来了额外的挑战。在冷却系统中使用带有智能功率模块（IPM）技术的变频系统，已被广泛认可较非变频系统减少30%的电力消耗。
IPM 透过精确调节输送到三相电机的电流的频率和电压，来调节热泵系统中变频压缩机和风扇的功率流（图二）。高效控制电机有助于达到压缩机和泵更高的效能标准。选择高效能、结构紧凑的 IPM 产品不仅能节约能源，还能让设计人员节省安装空间，提高性能，同时缩短开发周期。例如：安森美（onsemi）公司的SPM31系列1200V IGBT就是三相热泵应用的理想解决方案。


 
图二 : 三相热泵方框图

SPM 31：高效能马达控制
SPM31系列IPM整合了最新的场截止7（FS7）IGBT技术和第七代二极管技术，实现了卓越的效率和稳固性。这两项技术显着降低了电磁干扰（EMI），减少功率损耗，并提高功率密度。这些模块配备了栅极驱动IC以及诸如欠压锁定、过流关断、温度监控和故障报告等其他保护功能（图三）。


 
图三 : 热泵系统中的 1200 V SPM31系列 IPM产品

此外，与上一代解决方案和其他 IPM 替代产品相比，SPM31 IPM 的尺寸更小（54.5 mm x 31mm x 5.6 mm）（图四）。SPM31 解决方案实现了高功率密度、更高性能和更低的系统总成本。由于在较小的封装尺寸内具有很强的稳定性，因此是节省安装空间的理想解决方案。

 
图四 : SPM 31 IPM 封装

SPM31产品结构的目标是实现减小占用面积及增强可靠性的低功耗模块。为此，SPM31 采用新型 FS7 IGBT 技术、基于压铸模型封装的增强型直接覆铜（Direct Bonded Copper；DBC）基板，以及新型栅极驱动高压集成电路（HVIC）来实现。
SPM31 用于驱动低压侧 IGBT 的低压集成电路（LVIC）具有温度感应功能，可提高系统的整体可靠性。LVIC 可产生与其温度成正比的模拟信号。该电压用于监控模块的温度，并实施必要的保护措施以防止过热。
SPM31的一个相关特性是其整合的HVIC能高效工作，将逻辑电平的栅极输入转换为隔离的、不同电平的栅极驱动，这对于模块内高压侧IGBT的高效运行至关重要。每个相位都有独立的 IGBT 负极端子，以适应各种控制方法。
对于大功率应用而言，封装的散热能力对于确保所需性能至关重要。高质量封装技术的关键，在于能够保持出色散热性能的同时优化封装尺寸，并且不降低绝缘等级。SPM31组件采用DBC基板技术，使其具备卓越的散热性能，这项技术提高了可靠性和散热能力。功率芯片被物理固定在DBC基板上（图五）。

 
图五 : SPM 31 封装的横截面图

结语
热泵的性能预计将是普通燃料锅炉的三倍，至2030 年，热泵的安装量将增加三倍，从每月 150 万台增加到约 500 万台。例如安森美SPM31 IPM系列等功率半导体技术，不仅能够提高热泵系统的效率，还将减少能源消耗和碳排放。
（本文作者Arnold Lee为安森美半导体应用经理）