加速低碳化躍遷，智能功率模塊如何讓熱泵更智能？

隨著企業(yè)向低碳未來(lái)邁進(jìn)，市場(chǎng)越來(lái)越需要更高效的功率半導(dǎo)體。開(kāi)發(fā)功率半導(dǎo)體解決方案的關(guān)鍵目標(biāo)在于，盡量降低系統(tǒng)總成本和縮小尺寸，同時(shí)提高效率。于是，智能功率模塊 (IPM) 應(yīng)運(yùn)而生，并成為熱泵市場(chǎng)備受矚目的解決方案。這種模塊結(jié)構(gòu)緊湊、高度集成，具有高功率密度以及先進(jìn)的控制與監(jiān)測(cè)功能，非常適合熱泵應(yīng)用。

熱泵的重要性

根據(jù)歐盟統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)，在歐盟消耗的所有能源中，約 50% 用于供暖和制冷，而且超過(guò) 70% 仍然來(lái)自化石燃料（主要是天然氣）。在住宅領(lǐng)域，約 80% 的最終能源消耗用于室內(nèi)和熱水供暖。

熱泵（圖 1）由電力驅(qū)動(dòng)，可以滿足供暖、制冷和除濕需求，是一種成熟的可持續(xù)供暖解決方案。熱泵是家庭和辦公室的環(huán)保之選，有助于我們逐漸擺脫對(duì)化石燃料的依賴，轉(zhuǎn)向使用更多的可再生能源技術(shù)。隨著全球?qū)δ茉窗踩蜌夂虺兄Z的關(guān)注，熱泵正在成為室內(nèi)和熱水供暖系統(tǒng)脫碳的主要工具。

根據(jù)國(guó)際能源署 (IEA) 的數(shù)據(jù)，全球熱泵的安裝數(shù)量預(yù)計(jì)將從 2020 年的 1.8 億臺(tái)增加至 2030 年的約 6 億臺(tái)。與傳統(tǒng)化石燃料鍋爐相比，熱泵的效率至少要高出三倍，因此備受青睞。預(yù)計(jì)到 2030 年，熱泵在單體建筑物中的安裝數(shù)量將從目前的每月 150 萬(wàn)臺(tái)增加到約 500 萬(wàn)臺(tái)（數(shù)據(jù)來(lái)源：國(guó)際能源署）。在美國(guó)，《通脹削減法案》為購(gòu)置熱泵提供稅收抵免和補(bǔ)貼，覆蓋費(fèi)用的比例具體取決于家庭的資格條件，最高可達(dá) 100%。

圖 1：熱泵工作原理

IPM 在提升熱泵效率方面的作用

在熱泵系統(tǒng)中，智能功率模塊 (IPM) 對(duì)于控制變頻器壓縮機(jī)和風(fēng)扇的功率流起著至關(guān)重要的作用。這些模塊負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)三相電機(jī)的供電頻率和電壓，有助于實(shí)現(xiàn)更高的壓縮機(jī)和泵能效標(biāo)準(zhǔn)。例如，在制冷器中，與非變頻系統(tǒng)相比，采用 IPM 的變頻系統(tǒng)可降低 30% 的能耗。

IPM 廣泛用于各種應(yīng)用和系統(tǒng)。由于高度集成，無(wú)論是在功率級(jí)、驅(qū)動(dòng)器還是保護(hù)方面，IPM 都有助于縮短開(kāi)發(fā)周期。

圖 2：三相熱泵框圖

安森美 (onsemi) 最近發(fā)布了新的 1200 V SPM31 IPM 系列產(chǎn)品，為三相變頻應(yīng)用設(shè)立了新標(biāo)準(zhǔn)。這一突破性技術(shù)不僅滿足了持續(xù)增長(zhǎng)的節(jié)能需求，還致力于降低系統(tǒng)成本和提升整體性能?？梢灶A(yù)見(jiàn)的是，具有全新和改進(jìn)功能的 SPM31 IPM 將在熱泵市場(chǎng)上產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

圖 3：1200 V SPM31 IPM

01 更高的效率和功率密度

SPM31 IPM 采用最新的第 7 代 IGBT 場(chǎng)截止 (FS7) 技術(shù)，具備高效率和高穩(wěn)健性。優(yōu)化的開(kāi)關(guān)單元設(shè)計(jì)和緩沖配置，以及窄電氣參數(shù)分布，可消除單個(gè)和并聯(lián)器件操作中的短路振蕩現(xiàn)象。此外，該技術(shù)還采用亞微米溝槽柵單元間距，增加了通道密度，降低了導(dǎo)通損耗。同時(shí)，經(jīng)過(guò)優(yōu)化的柵極電容確保了平滑的開(kāi)關(guān)波形和較低的開(kāi)關(guān)損耗。發(fā)射極一側(cè)采用多層 FS 技術(shù)增強(qiáng)了阻斷能力，減小了漂移層厚度，從而降低了導(dǎo)通和開(kāi)關(guān)能量損失。FS7 IGBT 的開(kāi)發(fā)側(cè)重于優(yōu)化 Vcesat 和 Eoff，以實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的器件性能。

由于該技術(shù)大力降低了電磁干擾 (EMI)，與上一代產(chǎn)品相比，SPM31 IPM 的功率損耗降低了多達(dá) 10％，功率密度提高了多達(dá) 9％，IGBT 芯片尺寸縮小了 20％。功率密度的提高有助于設(shè)計(jì)人員簡(jiǎn)化布局，騰出熱泵系統(tǒng)中的寶貴空間，同時(shí)提高效率。SPM31 IPM 提供多種額定電流選項(xiàng)，范圍從 15 至 35 安培 (A) 不等。

圖 4：SPM31 IPM 尺寸

02 先進(jìn)功能確?？煽窟\(yùn)行

安森美的 SPM31 IPM 配備了一系列先進(jìn)功能，以確?？煽窟\(yùn)行。這些模塊包括柵極驅(qū)動(dòng)器 IC 和各種模塊級(jí)保護(hù)功能，例如：

● 欠壓鎖定：SPM31 IPM 可防止欠壓情況導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)不可預(yù)測(cè)的操作或?qū)ο到y(tǒng)造成的損壞。

● 過(guò)流關(guān)斷：此功能可防止過(guò)大電流對(duì)系統(tǒng)造成永久性損壞。

● 熱監(jiān)測(cè)：SPM31 IPM 可以準(zhǔn)確感測(cè)溫度，有助于實(shí)現(xiàn)良好的熱管理，避免出現(xiàn)過(guò)熱情況。

● 故障報(bào)告：這些模塊可檢測(cè)各種故障并向系統(tǒng)報(bào)告，為潛在問(wèn)題提供早期預(yù)警信號(hào)。

此外，SPM31 IPM 采用直接鍵合銅襯底，熱性能出色。這些功能增強(qiáng)了模塊的穩(wěn)健性，使其適合各種應(yīng)用場(chǎng)景。SPM31 IPM 用途廣泛，非常適合暖通空調(diào)、熱泵、變頻驅(qū)動(dòng)器 (VFD)、工業(yè)泵和風(fēng)機(jī)以及伺服電機(jī)等各種變頻驅(qū)動(dòng)應(yīng)用。

圖 5：SPM31 IPM 的橫截面

除了 SPM31，安森美還提供了其他多款多功能 IPM 產(chǎn)品系列。

圖 6：IPM 的應(yīng)用場(chǎng)景

這些模塊應(yīng)用場(chǎng)景廣泛，可實(shí)現(xiàn)高效緊湊的解決方案，有望在多個(gè)行業(yè)引發(fā)變革。

熱泵應(yīng)用的重大飛躍

SPM31 IPM 為熱泵應(yīng)用帶來(lái)了重大突破。這款 IPM 結(jié)構(gòu)緊湊，性能出色，能助力工程師設(shè)計(jì)出更高效、更可靠且更具成本效益的工業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)。