热泵及其谐波电流解决方案

热泵，英文heat pump，它有2个定义，定义1：从低温热源吸热送往高温热源的循环设备。定义2：以消耗一部分高品位能源(机械能、电能或高温热能)为补偿,使热能从低温热源向高温热源传递的装置。所以，热泵广泛用于冬天取暖，产生热水，工业烘干，温室养殖等。

 

简单讲，热泵就是一个能量的搬运工，对于用户而言，花了一份电费，获得了四份甚至更多的热量，这多出来的热量，就来源于大自然，根据热源的不同，热泵分为空气源热泵，水源热泵，地热源热泵等。所以，热泵的能效天然就是大于1的，只赚不赔……

 

 

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热泵的结构以及谐波电流法规

 

 

热泵按照交流输入电源可以分为单相热泵和三相热泵，其输出电功率可覆盖3 kW到几十千瓦。如图2所示，热泵的室外机，主要由三部分构成，包含PFC、压缩机逆变器和风机逆变器。

 

估计眼尖的读者已经注意到了，无论是单相热泵，还是三相热泵，都包含了PFC这一功率环节。没错，对于用电设备产生的谐波电流，全球各国以及地区都制定了明确的法规，热泵产品只有满足了谐波电流法规要求，才能在所在国家和地区进行销售，PFC也就是功率因素校正， 则可以有效改善用电设备的输入谐波电流并提高其功率因素。

 

图2 热泵室外机电路结构框图

 

根据用电设备的输入相电流大小，可以把用电设备分为两大类，适用不同的法规进行谐波电流的市场准入管理。如图3，以输入相电流有效值等于16A为界，当用电设备的输入相电流有效值小于或者等于16A时，适用IEC 61000-3-2，对应的国标就是GB17625.1，这也是广大工程师最熟悉的；当用电设备的输入相电流有效值大于16A时，则适用IEC 61000-3-12。这两个主要的谐波电流法规最近有更新，但内容主体基本不变。最新的IEC 61000-3-2: 2019+A1-2021，将于2024年4月9日起执行；国标GB17625.1-2022，将于2024年7月1日起执行。

 

这里需要敲黑板的是，是以输入相电流有效值，而不是根据单相输入还是三相输入，来决定究竟适用哪个法规。确定好适用的法规后，再根据对应的细分类别去查看具体的谐波电流限值要求。

 

图3 输入谐波电流法规和分类

（点击图片可放大查看）

 

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英飞凌的产品解决方案

 

 

正如前面所讲到，无论是单相热泵还是三相热泵，都需要PFC，逆变器和对应的驱动IC，控制器IC，作为业内知名半导体厂商，英飞凌当然可以提供一站式解决方案。

 

3.1 当输入相电流有效值大于16A时（模块方案）

 

以三相热泵为例，对于输入相电流有效值大于16A的热泵产品，因为谐波电流标准相对比较宽松，所以，采用被动式PFC，也就是通过在直流母线上串联直流电抗器，与母线电解电容一起构成LC 滤波器的方式，即可满足谐波电流限值的要求，因此，PIM模块就成了当仁不让的最佳选择，如图4，PIM模块将三相整流桥，制动桥臂和三相逆变桥全部集成到了一个模块中，充分满足了客户PCBA小型化的需求。根据逆变IGBT电流的不同，英飞凌提供了EASY和Econo两个大类封装的多款PIM模块，如图5，工程师朋友们可以灵活选择。

 

图4  IGBT PIM模块及被动式PFC电路框图

（相电流>16A）

图 5  EASY封装和Econo封装IGBT7 

PIM模块可选电流范围

 

3.2 当输入相电流有效值小于等于16A时（模块方案）

 

对于输入相电流有效值小于或者等于16A的三相热泵产品，目前市场上被动式PFC和主动式APFC的方案并存，如图6，图7，图8。图6是被动式PFC方案，可以选用25A的PIM模块，在整流桥之前加入三相交流电抗器，这种方式简单易操作，当然，缺点也很明显，为了满足谐波电流限值的要求，在单个交流电抗器上的压降可达到输入相电压的2%-4%，所以，交流电抗器感值大，效率低，个头重，不能安装在PCB板上，只能安装到机壳内壁，然后通过导线连接到PCB板上，导致生产线装配成本也上去了。

 

通常，只有提高开关频率，才能有效减小磁性器件的体积，所以，既能满足谐波电流法规，又高效，还能把电感或者电抗器安装到PCB板上的有源PFC方案就成了最优选择，如图7，图8，三电平Vienna整流器和三相B6的APFC方案，均可满足谐波电流限值和板载PFC电感的要求。

 

图6 采用被动式PFC的热泵电路框图

（相电流≤16A）

图7 采用三电平Vienna主动式APFC的

热泵电路框图

图8 采用三相B6主动式APFC的

热泵电路框图

 

对于三电平Vienna整流器，英飞凌有EASY2B封装的FS3L35R07W2H5_C56和FS3L35R07W2H5_C40两个模块可选，封装如图9，两个模块的区别是C56是焊接版本，C40是压接版本，其他参数都一样。模块内部IGBT采用35A的H5，可支持开关频率到40 kHz，输出功率8 kW左右。

 

图9 FS3L35R07W2H5 Vienna模块

 

 

对于三相B6的有源PFC方案，英飞凌则提供了高集成度的1200V SiC MOSFET IPM方案，IM828-XCC，最高可支持开关频率80kHz，其内部框图见图11。目前已经有客户采用IM828-XCC做三相B6 PFC，开关频率36kHz，输出功率8 kw，最高效率达到98.1%。

 

图10 SiC MOSFET IPM IM828

 

3.3 当输入相电流有效值小于等于16A时（单管IGBT方案）

 

如果基于成本考虑，也可以采用单管去搭建三相B6 APFC，因为B6是两电平的拓扑，每个开关直接承受全部的母线电压应力，所以，如果采用常规的IGBT，通常开关频率只能设置为10kHz左右，这样导致三相PFC的电感感值还是偏大，个头重，放置在PCB板上还是挑战颇大，因此，如果有一款IGBT的单管，既能满足比较高的开关频率，成本还有竞争力，那就相当有吸引力了。

 

英飞凌的1200V H7系列IGBT单管，则是这样一款优秀的产品，见图12，相比此前的多个系列的IGBT，其总损耗下降了40%~50%，所以，如果保持输出电流不变，H7系列单管IGBT的开关频率则可提升一倍，或者，通过选择更大额定电流等级的CH7单管IGBT，把开关频率进一步提升，见图13，单个IGBT的电流已经可以达到140A，也就意味着即使不用单管并联的方式，也可以输出非常高的功率。

 

图11 H7与其他系列IGBT的损耗对比

 

图12 H7系列单管IGBT型号与封装

 

当然，英飞凌也同步推出了650V的H7系列单管IGBT，可用于单相的Boost PFC和交错式PFC，详情请登录英飞凌官网查看。

 

 

 小结 

 

 

对于热泵应用中的输入谐波电流，无论是采用被动式PFC还是主动式APFC，英飞凌均有丰富的产品系列，简要概括见表1。被动式PFC的优点是简单易操作，缺点也很明显，更换输入电压或者功率后，电抗器就得重新去试凑匹配，不然某次谐波就会像打地鼠一样超标冒出来；主动式APFC则没有这个烦恼，主要的难度在于软件控制算法层面，需要投入大量的研发资源去开发。长远来看，随着谐波电流法规的趋严以及终端客户的更高要求，采用主动式APFC是一个必然趋势。

 

表1 英飞凌三相热泵解决方案概要