熱泵背后的技術：智能功率模塊

提到熱泵市場的增長—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。它是推動全球向永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再生能源和常規建筑系統相比時，效能是評估熱泵的關鍵因素。
透過改用熱泵，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%，這是推動此一增長的主要因素。
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%，至 2030 年將超過 670 萬臺。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。熱泵可以透過換向閥改變制冷劑的流動方向，達到供暖或制冷。在此過程中，空氣透過蒸發器盤管，促進熱能從空氣轉移到制冷劑。熱能在制冷劑中循環，然后透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，如圖一所示。
隨著努力實現未來無碳排放，具有高效馬達控制能力的功率半導體需求量很大。在提高效率的同時減小系統的整體尺寸和成本至關重要。


 
圖一 : 熱泵的工作原理

壓縮機和泵的新效能規定的實施，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，已被廣泛認可較非變頻系統減少30%的電力消耗。
IPM 透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），減少功率損耗，并提高功率密度。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（圖三）。


 
圖三 : 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?。?4.5 mm x 31mm x 5.6 mm）（圖四）。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。

 
圖四 : 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）基板，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，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，并且不降低絕緣等級。SPM31組件采用DBC基板技術，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基板上（圖五）。

 
圖五 : 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，至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。例如安森美SPM31 IPM系列等功率半導體技術，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理）