热泵背后的技术：智能功率模块

热泵是提供高效和环保供暖的一种久经考验的方法。它是全球可持续供暖趋势背后的驱动力，并以低排放的电力运行。与传统锅炉和低排放氢气以及其它可再生和传统建筑系统相比，能源效率是评估热泵的关键因素。通过改用热泵，欧盟（EU）可能会大幅减少天然气供暖的使用。由于俄罗斯和乌克兰之间持续的冲突，天然气价格涨幅最大，这也可能有助于实现这一目标。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%，这是推动这一扩张的主要因素。

从2021年到2026年，全球热泵市场的预计复合年增长率为9.5%，预计到 2026年，全球热泵市场的收入将从2021年的532亿美元增加到835亿美元。预计到2030年，欧盟的热泵安装数量将比2021年大幅增长335%，将超过 670万台。根据EIA的一份报告，到2030年，全球将有约6亿台热泵安装，高于2020年的1.8亿台。

功率模块在提高热泵效率方面的重要性

热泵是用于冷却和加热的多功能节能技术。热泵可以通过换向阀改变制冷剂的流动方向，使其能够加热或冷却房屋。该过程涉及空气通过蒸发器盘管，促进热能从空气到制冷剂的传递。热能在制冷剂内循环，然后通过冷凝器盘管释放，而风扇则将空气吹过盘管。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。随着我们努力实现无碳排放的未来，对具有高效电机控制功能的功率半导体的需求量很大。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

压缩机和泵的新能效法规的实施需要集成电子控制电机，这给电力电子设计人员带来了额外的障碍。与非逆变器系统相比，在冷却器中使用采用智能功率模块（IPM）技术的逆变器系统能够将功耗降低30%，因此得到广泛认可。

IPM通过精确调节发送到三相电机的电力的频率和电压来调节流向热泵系统中变频压缩机和风扇的功率（图2）。高效控制电机有助于实现更高的压缩机和泵能效标准。选择高能效、紧凑的IPM产品不仅可以节省能源，还可以让设计人员节省安装空间，提高性能，同时缩短开发时间。SPM31系列1200V IGBT IPM是三相热泵应用的理想解决方案。

图2 三相热泵框图

 SPM 31：高能效电机控制

SPM31 IPM采用最新的场截止（FS7）IGBT和7代二极管技术，可实现卓越的效率和鲁棒性。这两种技术都显著降低了电磁干扰（EMI）、功率损耗并提高了功率密度。这些模块配备栅极驱动集成电路（IC）和其它保护功能，例如欠压锁定、过流关断、温度监控和故障报告（图3）。

图3 热泵系统中的1200V SPM31 IPM

此外，与上一代解决方案和其它IPM替代方案相比，SPM31 IPM的尺寸更小 （54.5 mm x 31mm x 5.6 mm）（图4）。SPM31解决方案可实现高功率密度、更高的性能和更低的总系统成本。由于它们在更小的封装尺寸中具有坚固性，因此是节省安装空间的理想解决方案。

图4 SPM 31 IPM封装

SPM31模块产品结构的目标是减少尺寸和低功耗，提高可靠性。这是通过使用新的FS7 IGBT技术和基于转模封装的增强型直接键合铜（DBC）基板以及新的栅极驱动高压集成电路（HVIC）来实现的。SPM31用于低侧IGBT驱动的低压IC（LVIC）集成了温度检测功能，可提高系统的整体可靠性。LVIC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 可高效运行，将逻辑电平栅极输入转换为隔离式不同电平栅极驱动，用于有效操作模块内部的IGBT。每相都提供单独的负极IGBT端子，以适应各种控制方法。

对于大功率应用，封装的散热对于确保所需的性能至关重要。高质量封装技术的关键方面是能够优化封装尺寸，同时保持出色的散热性能，同时不影响隔离等级。SPM31 器件采用 DBC 基板技术，具有出色的散热性能。该技术能够增强可靠性和散热性。功率芯片以物理方式固定在 DBC 基板上（图 5）。

图5 SPM 31封装的横截面图

 结论

预计热泵的性能将比传统化石燃料锅炉高出三倍，从而导致其安装速度从每月 150万台增加到2030年约500万台，增长三倍。SPM31 IPM系列等功率半导体技术不仅可以提高热泵系统的效率，还可以降低能耗和碳排放。