熱泵背后的技術(shù)：智能功率模塊

提到熱泵市場(chǎng)的增長(cháng)—熱泵是一種既高效又環(huán)保的供暖方式，其可靠性和實(shí)用性已得到充分驗證。它是推動(dòng)全球向永續供暖趨勢發(fā)展的核心力量，運行所需的電力具有低排放的特點(diǎn)。在與傳統鍋爐、低排放氫能以及其他再生能源和常規建筑系統相比時(shí)，效能是評估熱泵的關(guān)鍵因素。
透過(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沖突，導致天然氣價(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(cháng)率超過(guò) 15%，是前十年增長(cháng)率的兩倍。歐盟的銷(xiāo)售額增長(cháng)了驚人的 35%，這是推動(dòng)此一增長(cháng)的主要因素。
預計2021~2026年的復合年增長(cháng)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計將比 2021 年大幅增長(cháng) 335%，至 2030 年將超過(guò) 670 萬(wàn)臺。根據一份 EIA 報告指出，至2030 年，全球熱泵安裝量將從 2020 年的 1.8 億臺增加到約 6 億臺。

功率模塊對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、高效能技術(shù)。熱泵可以透過(guò)換向閥改變制冷劑的流動(dòng)方向，達到供暖或制冷。在此過(guò)程中，空氣透過(guò)蒸發(fā)器盤(pán)管，促進(jìn)熱能從空氣轉移到制冷劑。熱能在制冷劑中循環(huán)，然后透過(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，如圖一所示。
隨著(zhù)努力實(shí)現未來(lái)無(wú)碳排放，具有高效馬達控制能力的功率半導體需求量很大。在提高效率的同時(shí)減小系統的整體尺寸和成本至關(guān)重要。


 
圖一 : 熱泵的工作原理

壓縮機和泵的新效能規定的實(shí)施，需要將電子控制電機融入設計中，這為電力電子設計人員帶來(lái)了額外的挑戰。在冷卻系統中使用帶有智能功率模塊（IPM）技術(shù)的變頻系統，已被廣泛認可較非變頻系統減少30%的電力消耗。
IPM 透過(guò)精確調節輸送到三相電機的電流的頻率和電壓，來(lái)調節熱泵系統中變頻壓縮機和風(fēng)扇的功率流（圖二）。高效控制電機有助于達到壓縮機和泵更高的效能標準。選擇高效能、結構緊湊的 IPM 產(chǎn)品不僅能節約能源，還能讓設計人員節省安裝空間，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就是三相熱泵應用的理想解決方案。


 
圖二 : 三相熱泵方框圖

SPM 31：高效能馬達控制
SPM31系列IPM整合了最新的場(chǎng)截止7（FS7）IGBT技術(shù)和第七代二極管技術(shù)，實(shí)現了卓越的效率和穩固性。這兩項技術(shù)顯著(zhù)降低了電磁干擾（EMI），減少功率損耗，并提高功率密度。這些模塊配備了柵極驅動(dòng)IC以及諸如欠壓鎖定、過(guò)流關(guān)斷、溫度監控和故障報告等其他保護功能（圖三）。


 
圖三 : 熱泵系統中的 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?。?4.5 mm x 31mm x 5.6 mm）（圖四）。SPM31 解決方案實(shí)現了高功率密度、更高性能和更低的系統總成本。由于在較小的封裝尺寸內具有很強的穩定性，因此是節省安裝空間的理想解決方案。

 
圖四 : SPM 31 IPM 封裝

SPM31產(chǎn)品結構的目標是實(shí)現減小占用面積及增強可靠性的低功耗模塊。為此，SPM31 采用新型 FS7 IGBT 技術(shù)、基于壓鑄模型封裝的增強型直接覆銅（Direct Bonded Copper；DBC）基板，以及新型柵極驅動(dòng)高壓集成電路（HVIC）來(lái)實(shí)現。
SPM31 用于驅動(dòng)低壓側 IGBT 的低壓集成電路（LVIC）具有溫度感應功能，可提高系統的整體可靠性。LVIC 可產(chǎn)生與其溫度成正比的模擬信號。該電壓用于監控模塊的溫度，并實(shí)施必要的保護措施以防止過(guò)熱。
SPM31的一個(gè)相關(guān)特性是其整合的HVIC能高效工作，將邏輯電平的柵極輸入轉換為隔離的、不同電平的柵極驅動(dòng)，這對于模塊內高壓側IGBT的高效運行至關(guān)重要。每個(gè)相位都有獨立的 IGBT 負極端子，以適應各種控制方法。
對于大功率應用而言，封裝的散熱能力對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，并且不降低絕緣等級。SPM31組件采用DBC基板技術(shù)，使其具備卓越的散熱性能，這項技術(shù)提高了可靠性和散熱能力。功率芯片被物理固定在DBC基板上（圖五）。

 
圖五 : SPM 31 封裝的橫截面圖

結語(yǔ)
熱泵的性能預計將是普通燃料鍋爐的三倍，至2030 年，熱泵的安裝量將增加三倍，從每月 150 萬(wàn)臺增加到約 500 萬(wàn)臺。例如安森美SPM31 IPM系列等功率半導體技術(shù)，不僅能夠提高熱泵系統的效率，還將減少能源消耗和碳排放。
（本文作者Arnold Lee為安森美半導體應用經(jīng)理）