【導讀】熱泵是一種既高效又環保的供暖方式，其可靠性和實用性已得到充分驗證。它是推動全球向可持續供暖趨勢發展的核心力量，運行所需的電力具有低排放的特點。在與傳統鍋爐、低排放氫能以及其他可再生能源和常規建筑系統相比時，能效是評估熱泵的關鍵因素。
熱泵市場的增長
熱泵是一種既高效又環保的供暖方式，其可靠性和實用性已得到充分驗證。它是推動全球向可持續供暖趨勢發展的核心力量，運行所需的電力具有低排放的特點。在與傳統鍋爐、低排放氫能以及其他可再生能源和常規建筑系統相比時，能效是評估熱泵的關鍵因素。
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沖突導致天然氣價格漲至最高點，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率超過 15%，是前十年增長率的兩倍。歐盟的銷售額增長了驚人的 35%，這是推動這一增長的主要因素。
預計 2021-2026 年的復合年增長率（CAGR）為 9.5%，全球熱泵市場的收入將從 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 335%，到 2030 年將超過 670 萬臺。根據一份 EIA 報告指出，到 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、高能效技術。熱泵可以通過換向閥改變制冷劑的流動方向，從而實現供暖或制冷。在此過程中，空氣通過蒸發器盤管，促進熱能從空氣轉移到制冷劑。熱能在制冷劑中循環，然后通過冷凝器盤管釋放出來，同時風扇將空氣吹過盤管。在此過程中，熱能從一個位置傳遞到另一個位置，如下圖 1 所示。隨著我們努力實現未來無碳排放，具有高效電機控制能力的功率半導體需求量很大。在提高效率的同時減小系統的整體尺寸和成本至關重要。
圖 1：熱泵的工作原理
實施針對壓縮機和泵的新能效規定，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）技術的變頻系統，已被廣泛認可能比非變頻系統減少30%的電力消耗。
IPM 通過精確調節輸送到三相電機的電流的頻率和電壓，來調節熱泵系統中變頻壓縮機和風扇的功率流（圖 2）。高效控制電機有助于達到壓縮機和泵更高的能效標準。選擇高能效、結構緊湊的 IPM 產品不僅能節約能源，還能讓設計人員節省安裝空間，提高性能，同時縮短開發周期。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 2：三相熱泵方框圖
SPM 31：高能效電機控制
SPM31系列IPM集成了最新的場截止7（FS7）IGBT技術和第七代二極管技術，實現了卓越的效率和穩固性。這兩項技術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動IC以及諸如欠壓鎖定、過流關斷、溫度監控和故障報告等其他保護功能（圖3）。
圖 3：熱泵系統中的 1200 V SPM31系列 IPM產品
此外，與上一代解決方案和其他 IPM 替代產品相比，SPM31 IPM 的尺寸更小（54.5 mm x 31mm x 5.6 mm）（圖 4）。SPM31 解決方案實現了高功率密度、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 4：SPM 31 IPM 封裝
SPM31產品結構的目標是實現減小占用面積及增強可靠性的低功耗模塊。為此，SPM31 采用了新型 FS7 IGBT 技術、基于壓鑄模型封裝的增強型直接覆銅(Direct Bonded Copper, DBC)襯底，以及新型柵極驅動高壓集成電路（HVIC）來實現。
SPM31 用于驅動低壓側 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，并實施必要的保護措施以防止過熱。
SPM31的一個相關特性是其集成的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，這對于模塊內高壓側IGBT的高效運行至關重要。每個相位都有獨立的 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重要。高質量封裝技術的關鍵在于能夠保持出色散熱性能的同時優化封裝尺寸，且不降低絕緣等級。SPM31器件采用了DBC襯底技術，使其具備卓越的散熱性能。這項技術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5）。
圖 5：SPM 31 封裝的橫截面圖
結語
熱泵的性能預計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 萬臺增加到約 500 萬臺。像安森美SPM31 IPM系列等功率半導體技術不僅能提高熱泵系統的效率，還將減少能源消耗和碳排放。
參考文獻
1 MarketAndMarkets，熱泵市場--2029 年全球預測
2 國際能源機構報告，到 2030 年安裝約 6 億臺熱泵，滿足 20% 的建筑供暖需求
（作者：安森美應用經理，Arnold Lee）
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