熱泵及其諧波電流解決方案

熱泵，英文heat pump，它有2個(gè)定義，定義1：從低溫?zé)嵩次鼰崴屯邷責(zé)嵩吹难h(huán)設(shè)備。定義2：以消耗一部分高品位能源(機(jī)械能、電能或高溫?zé)崮?為補(bǔ)償,使熱能從低溫?zé)嵩聪蚋邷責(zé)嵩磦鬟f的裝置。所以，熱泵廣泛用于冬天取暖，產(chǎn)生熱水，工業(yè)烘干，溫室養(yǎng)殖等。

1 熱泵簡介

熱泵，英文heat pump，它有2個(gè)定義，定義1：從低溫?zé)嵩次鼰崴屯邷責(zé)嵩吹难h(huán)設(shè)備。定義2：以消耗一部分高品位能源(機(jī)械能、電能或高溫?zé)崮?為補(bǔ)償,使熱能從低溫?zé)嵩聪蚋邷責(zé)嵩磦鬟f的裝置。所以，熱泵廣泛用于冬天取暖，產(chǎn)生熱水，工業(yè)烘干，溫室養(yǎng)殖等。

簡單講，熱泵就是一個(gè)能量的搬運(yùn)工，對(duì)于用戶而言，花了一份電費(fèi)，獲得了四份甚至更多的熱量，這多出來的熱量，就來源于大自然，根據(jù)熱源的不同，熱泵分為空氣源熱泵，水源熱泵，地?zé)嵩礋岜玫?。所以，熱泵的能效天然就是大?的，只賺不賠……

說了這么多，熱泵究竟長啥樣呢，圖1來自于美的集團(tuán)空氣源熱泵的一份產(chǎn)品手冊(cè)，是不是和常見的空調(diào)外機(jī)非常像，對(duì)的，從其內(nèi)部硬件來看，它確實(shí)和空調(diào)外機(jī)沒什么區(qū)別，只是空調(diào)采用的是卡諾循環(huán)原理，把熱量從室內(nèi)搬運(yùn)到室外，而熱泵采用的是逆卡諾循環(huán)原理，把熱量從室外搬運(yùn)到室內(nèi)。一正一反，不得不感嘆科學(xué)的神奇。

圖1 空氣源熱泵及其應(yīng)用示意圖

2 熱泵的結(jié)構(gòu)以及諧波電流法規(guī)

熱泵按照交流輸入電源可以分為單相熱泵和三相熱泵，其輸出電功率可覆蓋3 kW到幾十千瓦。如圖2所示，熱泵的室外機(jī)，主要由三部分構(gòu)成，包含PFC、壓縮機(jī)逆變器和風(fēng)機(jī)逆變器。

估計(jì)眼尖的讀者已經(jīng)注意到了，無論是單相熱泵，還是三相熱泵，都包含了PFC這一功率環(huán)節(jié)。沒錯(cuò)，對(duì)于用電設(shè)備產(chǎn)生的諧波電流，全球各國以及地區(qū)都制定了明確的法規(guī)，熱泵產(chǎn)品只有滿足了諧波電流法規(guī)要求，才能在所在國家和地區(qū)進(jìn)行銷售，PFC也就是功率因素校正， 則可以有效改善用電設(shè)備的輸入諧波電流并提高其功率因素。

圖2 熱泵室外機(jī)電路結(jié)構(gòu)框圖

根據(jù)用電設(shè)備的輸入相電流大小，可以把用電設(shè)備分為兩大類，適用不同的法規(guī)進(jìn)行諧波電流的市場準(zhǔn)入管理。如圖3，以輸入相電流有效值等于16A為界，當(dāng)用電設(shè)備的輸入相電流有效值小于或者等于16A時(shí)，適用IEC 61000-3-2，對(duì)應(yīng)的國標(biāo)就是GB17625.1，這也是廣大工程師最熟悉的；當(dāng)用電設(shè)備的輸入相電流有效值大于16A時(shí)，則適用IEC 61000-3-12。這兩個(gè)主要的諧波電流法規(guī)最近有更新，但內(nèi)容主體基本不變。最新的IEC 61000-3-2: 2019+A1-2021，將于2024年4月9日起執(zhí)行；國標(biāo)GB17625.1-2022，將于2024年7月1日起執(zhí)行。

這里需要敲黑板的是，是以輸入相電流有效值，而不是根據(jù)單相輸入還是三相輸入，來決定究竟適用哪個(gè)法規(guī)。確定好適用的法規(guī)后，再根據(jù)對(duì)應(yīng)的細(xì)分類別去查看具體的諧波電流限值要求。

圖3 輸入諧波電流法規(guī)和分類

3 英飛凌的產(chǎn)品解決方案

正如前面所講到，無論是單相熱泵還是三相熱泵，都需要PFC，逆變器和對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)IC，控制器IC，作為業(yè)內(nèi)知名半導(dǎo)體廠商，英飛凌當(dāng)然可以提供一站式解決方案。

3.1 當(dāng)輸入相電流有效值大于16A時(shí)（模塊方案）

以三相熱泵為例，對(duì)于輸入相電流有效值大于16A的熱泵產(chǎn)品，因?yàn)橹C波電流標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)比較寬松，所以，采用被動(dòng)式PFC，也就是通過在直流母線上串聯(lián)直流電抗器，與母線電解電容一起構(gòu)成LC 濾波器的方式，即可滿足諧波電流限值的要求，因此，PIM模塊就成了當(dāng)仁不讓的最佳選擇，如圖4，PIM模塊將三相整流橋，制動(dòng)橋臂和三相逆變橋全部集成到了一個(gè)模塊中，充分滿足了客戶PCBA小型化的需求。根據(jù)逆變IGBT電流的不同，英飛凌提供了EASY和Econo兩個(gè)大類封裝的多款PIM模塊，如圖5，工程師朋友們可以靈活選擇。

圖4  IGBT PIM模塊及被動(dòng)式PFC電路框圖

（相電流>16A）

圖 5  EASY封裝和Econo封裝IGBT7 

PIM模塊可選電流范圍

3.2 當(dāng)輸入相電流有效值小于等于16A時(shí)（模塊方案）

對(duì)于輸入相電流有效值小于或者等于16A的三相熱泵產(chǎn)品，目前市場上被動(dòng)式PFC和主動(dòng)式APFC的方案并存，如圖6，圖7，圖8。圖6是被動(dòng)式PFC方案，可以選用25A的PIM模塊，在整流橋之前加入三相交流電抗器，這種方式簡單易操作，當(dāng)然，缺點(diǎn)也很明顯，為了滿足諧波電流限值的要求，在單個(gè)交流電抗器上的壓降可達(dá)到輸入相電壓的2%-4%，所以，交流電抗器感值大，效率低，個(gè)頭重，不能安裝在PCB板上，只能安裝到機(jī)殼內(nèi)壁，然后通過導(dǎo)線連接到PCB板上，導(dǎo)致生產(chǎn)線裝配成本也上去了。

通常，只有提高開關(guān)頻率，才能有效減小磁性器件的體積，所以，既能滿足諧波電流法規(guī)，又高效，還能把電感或者電抗器安裝到PCB板上的有源PFC方案就成了最優(yōu)選擇，如圖7，圖8，三電平Vienna整流器和三相B6的APFC方案，均可滿足諧波電流限值和板載PFC電感的要求。

圖6 采用被動(dòng)式PFC的熱泵電路框圖

（相電流≤16A）

圖7 采用三電平Vienna主動(dòng)式APFC的熱泵電路框圖

圖8 采用三相B6主動(dòng)式APFC的熱泵電路框圖

對(duì)于三電平Vienna整流器，英飛凌有EASY2B封裝的FS3L35R07W2H5_C56和FS3L35R07W2H5_C40兩個(gè)模塊可選，封裝如圖9，兩個(gè)模塊的區(qū)別是C56是焊接版本，C40是壓接版本，其他參數(shù)都一樣。模塊內(nèi)部IGBT采用35A的H5，可支持開關(guān)頻率到40 kHz，輸出功率8 kW左右。

圖9 FS3L35R07W2H5 Vienna模塊

對(duì)于三相B6的有源PFC方案，英飛凌則提供了高集成度的1200V SiC MOSFET IPM方案，IM828-XCC，最高可支持開關(guān)頻率80kHz，其內(nèi)部框圖見圖11。目前已經(jīng)有客戶采用IM828-XCC做三相B6 PFC，開關(guān)頻率36kHz，輸出功率8 kw，最高效率達(dá)到98.1%。

圖10 SiC MOSFET IPM IM828

3.3 當(dāng)輸入相電流有效值小于等于16A時(shí)（單管IGBT方案）

如果基于成本考慮，也可以采用單管去搭建三相B6 APFC，因?yàn)锽6是兩電平的拓?fù)?，每個(gè)開關(guān)直接承受全部的母線電壓應(yīng)力，所以，如果采用常規(guī)的IGBT，通常開關(guān)頻率只能設(shè)置為10kHz左右，這樣導(dǎo)致三相PFC的電感感值還是偏大，個(gè)頭重，放置在PCB板上還是挑戰(zhàn)頗大，因此，如果有一款I(lǐng)GBT的單管，既能滿足比較高的開關(guān)頻率，成本還有競爭力，那就相當(dāng)有吸引力了。

英飛凌的1200V H7系列IGBT單管，則是這樣一款優(yōu)秀的產(chǎn)品，見圖12，相比此前的多個(gè)系列的IGBT，其總損耗下降了40%~50%，所以，如果保持輸出電流不變，H7系列單管IGBT的開關(guān)頻率則可提升一倍，或者，通過選擇更大額定電流等級(jí)的CH7單管IGBT，把開關(guān)頻率進(jìn)一步提升，見圖13，單個(gè)IGBT的電流已經(jīng)可以達(dá)到140A，也就意味著即使不用單管并聯(lián)的方式，也可以輸出非常高的功率。

圖11 H7與其他系列IGBT的損耗對(duì)比

圖12 H7系列單管IGBT型號(hào)與封裝

當(dāng)然，英飛凌也同步推出了650V的H7系列單管IGBT，可用于單相的Boost PFC和交錯(cuò)式PFC，詳情請(qǐng)登錄英飛凌官網(wǎng)查看。

小結(jié) 

對(duì)于熱泵應(yīng)用中的輸入諧波電流，無論是采用被動(dòng)式PFC還是主動(dòng)式APFC，英飛凌均有豐富的產(chǎn)品系列，簡要概括見表1。被動(dòng)式PFC的優(yōu)點(diǎn)是簡單易操作，缺點(diǎn)也很明顯，更換輸入電壓或者功率后，電抗器就得重新去試湊匹配，不然某次諧波就會(huì)像打地鼠一樣超標(biāo)冒出來；主動(dòng)式APFC則沒有這個(gè)煩惱，主要的難度在于軟件控制算法層面，需要投入大量的研發(fā)資源去開發(fā)。長遠(yuǎn)來看，隨著諧波電流法規(guī)的趨嚴(yán)以及終端客戶的更高要求，采用主動(dòng)式APFC是一個(gè)必然趨勢。

表1 英飛凌三相熱泵解決方案概要

原創(chuàng)：伍堂順  來源：英飛凌