熱泵背后的技術(shù):智能功率模塊
熱泵市場的增長
熱泵是一種既高效又環(huán)保的供暖方式,其可靠性和實(shí)用性已得到充分驗(yàn)證。它是推動(dòng)全球向可持續(xù)供暖趨勢(shì)發(fā)展的核心力量,運(yùn)行所需的電力具有低排放的特點(diǎn)。在與傳統(tǒng)鍋爐、低排放氫能以及其他可再生能源和常規(guī)建筑系統(tǒng)相比時(shí),能效是評(píng)估熱泵的關(guān)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(xù)沖突導(dǎo)致天然氣價(jià)格漲至最高點(diǎn),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(dòng)這一增長的主要因素。
預(yù)計(jì) 2021-2026 年的復(fù)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(yù)計(jì)將比 2021 年大幅增長 335%,到 2030 年將超過 670 萬臺(tái)。根據(jù)一份 EIA 報(bào)告指出,到 2030 年,全球熱泵安裝量將從 2020 年的 1.8 億臺(tái)增加到約 6 億臺(tái)。
功率模塊對(duì)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(shù)。熱泵可以通過換向閥改變制冷劑的流動(dòng)方向,從而實(shí)現(xiàn)供暖或制冷。在此過程中,空氣通過蒸發(fā)器盤管,促進(jìn)熱能從空氣轉(zhuǎn)移到制冷劑。熱能在制冷劑中循環(huán),然后通過冷凝器盤管釋放出來,同時(shí)風(fēng)扇將空氣吹過盤管。在此過程中,熱能從一個(gè)位置傳遞到另一個(gè)位置,如下圖 1 所示。隨著我們努力實(shí)現(xiàn)未來無碳排放,具有高效電機(jī)控制能力的功率半導(dǎo)體需求量很大。在提高效率的同時(shí)減小系統(tǒng)的整體尺寸和成本至關(guān)重要。
圖 1:熱泵的工作原理
實(shí)施針對(duì)壓縮機(jī)和泵的新能效規(guī)定,需要將電子控制電機(jī)融入設(shè)計(jì)中,這為電力電子設(shè)計(jì)人員帶來了額外的挑戰(zhàn)。在冷卻系統(tǒng)中使用帶有智能功率模塊(IPM)技術(shù)的變頻系統(tǒng),已被廣泛認(rèn)可能比非變頻系統(tǒng)減少30%的電力消耗。
IPM 通過精確調(diào)節(jié)輸送到三相電機(jī)的電流的頻率和電壓,來調(diào)節(jié)熱泵系統(tǒng)中變頻壓縮機(jī)和風(fēng)扇的功率流(圖 2)。高效控制電機(jī)有助于達(dá)到壓縮機(jī)和泵更高的能效標(biāo)準(zhǔn)。選擇高能效、結(jié)構(gòu)緊湊的 IPM 產(chǎn)品不僅能節(jié)約能源,還能讓設(shè)計(jì)人員節(jié)省安裝空間,提高性能,同時(shí)縮短開發(fā)周期。例如,安森美(onsemi)公司的SPM31系列1200V IGBT就是三相熱泵應(yīng)用的理想解決方案。
圖 2:三相熱泵方框圖
SPM 31:高能效電機(jī)控制
SPM31系列IPM集成了最新的場截止7(FS7)IGBT技術(shù)和第七代二極管技術(shù),實(shí)現(xiàn)了卓越的效率和穩(wěn)固性。這兩項(xiàng)技術(shù)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(qū)動(dòng)IC以及諸如欠壓鎖定、過流關(guān)斷、溫度監(jiān)控和故障報(bào)告等其他保護(hù)功能(圖3)。
圖 3:熱泵系統(tǒng)中的 1200 V SPM31系列 IPM產(chǎn)品
此外,與上一代解決方案和其他 IPM 替代產(chǎn)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(shí)現(xiàn)了高功率密度、更高性能和更低的系統(tǒng)總成本。由于在較小的封裝尺寸內(nèi)具有很強(qiáng)的穩(wěn)定性,因此是節(jié)省安裝空間的理想解決方案。
圖 4:SPM 31 IPM 封裝
SPM31產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)減小占用面積及增強(qiáng)可靠性的低功耗模塊。為此,SPM31 采用了新型 FS7 IGBT 技術(shù)、基于壓鑄模型封裝的增強(qiáng)型直接覆銅(Direct Bonded Copper, DBC)襯底,以及新型柵極驅(qū)動(dòng)高壓集成電路(HVIC)來實(shí)現(xiàn)。
SPM31 用于驅(qū)動(dòng)低壓側(cè) IGBT 的低壓集成電路(LVIC)具有溫度感應(yīng)功能,可提高系統(tǒng)的整體可靠性。LVIC 可產(chǎn)生與其溫度成正比的模擬信號(hào)。該電壓用于監(jiān)控模塊的溫度,并實(shí)施必要的保護(hù)措施以防止過熱。
SPM31的一個(gè)相關(guān)特性是其集成的HVIC能高效工作,將邏輯電平的柵極輸入轉(zhuǎn)換為隔離的、不同電平的柵極驅(qū)動(dòng),這對(duì)于模塊內(nèi)高壓側(cè)IGBT的高效運(yùn)行至關(guān)重要。每個(gè)相位都有獨(dú)立的 IGBT 負(fù)極端子,以適應(yīng)各種控制方法。
對(duì)于大功率應(yīng)用而言,封裝的散熱能力對(duì)于確保所需性能至關(guān)重要。高質(zhì)量封裝技術(shù)的關(guān)鍵在于能夠保持出色散熱性能的同時(shí)優(yōu)化封裝尺寸,且不降低絕緣等級(jí)。SPM31器件采用了DBC襯底技術(shù),使其具備卓越的散熱性能。這項(xiàng)技術(shù)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(jié)語
熱泵的性能預(yù)計(jì)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(tái)增加到約 500 萬臺(tái)。像安森美SPM31 IPM系列等功率半導(dǎo)體技術(shù)不僅能提高熱泵系統(tǒng)的效率,還將減少能源消耗和碳排放。
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