智能功率模塊讓熱泵更智能

隨著(zhù)企業(yè)向低碳未來(lái)邁進(jìn)，市場(chǎng)越來(lái)越需要更高效的功率半導體。開(kāi)發(fā)功率半導體解決方案的關(guān)鍵目標在于，盡量降低系統總成本和縮小尺寸，同時(shí)提高效率。于是，智能功率模塊 (IPM) 應運而生，并成為熱泵市場(chǎng)備受矚目的解決方案。這種模塊結構緊湊、高度集成，具有高功率密度以及先進(jìn)的控制與監測功能，非常適合熱泵應用。

熱泵的重要性

根據歐盟統計局數據，在歐盟消耗的所有能源中，約 50% 用于供暖和制冷，而且超過(guò) 70% 仍然來(lái)自化石燃料（主要是天然氣）。在住宅領(lǐng)域，約 80% 的最終能源消耗用于室內和熱水供暖。

熱泵（圖 1）由電力驅動(dòng)，可以滿(mǎn)足供暖、制冷和除濕需求，是一種成熟的可持續供暖解決方案。熱泵是家庭和辦公室的環(huán)保之選，有助于我們逐漸擺脫對化石燃料的依賴(lài)，轉向使用更多的可再生能源技術(shù)。隨著(zhù)全球對能源安全和氣候承諾的關(guān)注，熱泵正在成為室內和熱水供暖系統脫碳的主要工具。

根據國際能源署 (IEA) 的數據，全球熱泵的安裝數量預計將從 2020 年的 1.8 億臺增加至 2030 年的約 6 億臺。與傳統化石燃料鍋爐相比，熱泵的效率至少要高出三倍，因此備受青睞。預計到 2030 年，熱泵在單體建筑物中的安裝數量將從目前的每月 150 萬(wàn)臺增加到約 500 萬(wàn)臺（數據來(lái)源：國際能源署）。在美國，《通脹削減法案》為購置熱泵提供稅收抵免和補貼，覆蓋費用的比例具體取決于家庭的資格條件，最高可達 100%。

圖 1：熱泵工作原理

IPM 在提升熱泵效率方面的作用

在熱泵系統中，智能功率模塊 (IPM) 對于控制變頻器壓縮機和風(fēng)扇的功率流起著(zhù)至關(guān)重要的作用。（圖 2）這些模塊負責調節三相電機的供電頻率和電壓，有助于實(shí)現更高的壓縮機和泵能效標準。例如，在制冷器中，與非變頻系統相比，采用 IPM 的變頻系統可降低 30% 的能耗。

IPM 廣泛用于各種應用和系統。由于高度集成，無(wú)論是在功率級、驅動(dòng)器還是保護方面，IPM 都有助于縮短開(kāi)發(fā)周期。

圖 2：三相熱泵框圖

安森美 (onsemi) 最近發(fā)布了新的 1200 V SPM31 IPM 系列產(chǎn)品，為三相變頻應用設立了新標準。這一突破性技術(shù)不僅滿(mǎn)足了持續增長(cháng)的節能需求，還致力于降低系統成本和提升整體性能?？梢灶A見(jiàn)的是，具有全新和改進(jìn)功能的 SPM31 IPM 將在熱泵市場(chǎng)上產(chǎn)生深遠影響。

圖 3：1200 V SPM31 IPM

更高的效率和功率密度

SPM31 IPM 采用最新的第 7 代 IGBT 場(chǎng)截止 (FS7) 技術(shù)，具備高效率和高穩健性。優(yōu)化的開(kāi)關(guān)單元設計和緩沖配置，以及窄電氣參數分布，可消除單個(gè)和并聯(lián)器件操作中的短路振蕩現象。此外，該技術(shù)還采用亞微米溝槽柵單元間距，增加了通道密度，降低了導通損耗。同時(shí)，經(jīng)過(guò)優(yōu)化的柵極電容確保了平滑的開(kāi)關(guān)波形和較低的開(kāi)關(guān)損耗。發(fā)射極一側采用多層 FS 技術(shù)增強了阻斷能力，減小了漂移層厚度，從而降低了導通和開(kāi)關(guān)能量損失。FS7 IGBT 的開(kāi)發(fā)側重于優(yōu)化 Vcesat 和 Eoff，以實(shí)現先進(jìn)的器件性能。

由于該技術(shù)大力降低了電磁干擾 (EMI)，與上一代產(chǎn)品相比，SPM31 IPM 的功率損耗降低了多達 10％，功率密度提高了多達 9％，IGBT 芯片尺寸縮小了 20％。功率密度的提高有助于設計人員簡(jiǎn)化布局，騰出熱泵系統中的寶貴空間，同時(shí)提高效率。SPM31 IPM 提供多種額定電流選項，范圍從 15 至 35 安培 (A) 不等。

圖 4：SPM31 IPM 尺寸

先進(jìn)功能確?？煽窟\行

安森美的 SPM31 IPM 配備了一系列先進(jìn)功能，以確?？煽窟\行。這些模塊包括柵極驅動(dòng)器 IC 和各種模塊級保護功能，例如：

· 欠壓鎖定：SPM31 IPM 可防止欠壓情況導致系統出現不可預測的操作或對系統造成的損壞。

· 過(guò)流關(guān)斷：此功能可防止過(guò)大電流對系統造成永久性損壞。

· 熱監測：SPM31 IPM 可以準確感測溫度，有助于實(shí)現良好的熱管理，避免出現過(guò)熱情況。

· 故障報告：這些模塊可檢測各種故障并向系統報告，為潛在問(wèn)題提供早期預警信號。

此外，SPM31 IPM 采用直接鍵合銅襯底（圖 5），熱性能出色。這些功能增強了模塊的穩健性，使其適合各種應用場(chǎng)景。SPM31 IPM 用途廣泛，非常適合暖通空調、熱泵、變頻驅動(dòng)器 (VFD)、工業(yè)泵和風(fēng)機以及伺服電機等各種變頻驅動(dòng)應用。

圖 5：SPM31 IPM 的橫截面

除了 SPM31，安森美還提供了其他多款多功能 IPM 產(chǎn)品系列。（圖 6）

圖 6：IPM 的應用場(chǎng)景

這些模塊應用場(chǎng)景廣泛，可實(shí)現高效緊湊的解決方案，有望在多個(gè)行業(yè)引發(fā)變革。

熱泵應用的重大飛躍

SPM31 IPM 為熱泵應用帶來(lái)了重大突破。這款 IPM 結構緊湊，性能出色，能助力工程師設計出更高效、更可靠且更具成本效益的工業(yè)應用系統。

智能功率模塊 (IPM)

集成柵極驅動(dòng)器的高壓功率模塊，適用于消費類(lèi)、工業(yè)和汽車(chē)應用。提供多種三相變頻器模塊，涵蓋 50 W 至 10 kW 的功率級別。多種不同的拓撲結構可供選擇，包括 PFC 和輸入橋式整流器。