热泵背后的技术：智能功率模块
作者：安森美应用经理，Arnold Lee
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。它是推动全球向可持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可再生能源和常规建筑系统相比时，能效是评估热泵的关键因素。
通过改用热泵，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%，这是推动这一增长的主要因素。
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%，到 2030 年将超过 670 万台。根据一份 EIA 报告指出，到 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、高能效技术。热泵可以通过换向阀改变制冷剂的流动方向，从而实现供暖或制冷。在此过程中，空气通过蒸发器盘管，促进热能从空气转移到制冷剂。热能在制冷剂中循环，然后通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，如下图 1 所示。随着我们努力实现未来无碳排放，具有高效电机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 1：热泵的工作原理
实施针对压缩机和泵的新能效规定，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，已被广泛认可能比非变频系统减少30%的电力消耗。
IPM 通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 2）。高效控制电机有助于达到压缩机和泵更高的能效标准。选择高能效、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 2：三相热泵方框图
SPM 31：高能效电机控制
SPM31系列IPM集成了最新的场截止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。这两项技术显著降低了电磁干扰（EMI），减少了功率损耗，并提高了功率密度。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3）。
图 3：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 4）。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 4：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 采用了新型 FS7 IGBT 技术、基于压铸模型封装的增强型直接覆铜(Direct Bonded Copper, DBC)衬底，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集成的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，且不降低绝缘等级。SPM31器件采用了DBC衬底技术，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衬底上（图5）。
图 5：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，到 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。像安森美SPM31 IPM系列等功率半导体技术不仅能提高热泵系统的效率，还将减少能源消耗和碳排放。
参考文献
1 MarketAndMarkets，热泵市场--2029 年全球预测
2 国际能源机构报告，到 2030 年安装约 6 亿台热泵，满足 20% 的建筑供暖需求
