智能功率模塊讓熱泵更智能

ainet.cn 2024年03月08日

隨著企業(yè)向低碳未來邁進，市場越來越需要更高效的功率半導體。開發(fā)功率半導體解決方案的關鍵目標在于，盡量降低系統(tǒng)總成本和縮小尺寸，同時提高效率。于是，智能功率模塊 (IPM) 應運而生，并成為熱泵市場備受矚目的解決方案。這種模塊結構緊湊、高度集成，具有高功率密度以及先進的控制與監(jiān)測功能，非常適合熱泵應用。

熱泵的重要性

根據歐盟統(tǒng)計局數據，在歐盟消耗的所有能源中，約 50% 用于供暖和制冷，而且超過 70% 仍然來自化石燃料(主要是天然氣)。在住宅領域，約 80% 的最終能源消耗用于室內和熱水供暖。

熱泵(圖 1)由電力驅動，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化石燃料的依賴，轉向使用更多的可再生能源技術。隨著全球對能源安全和氣候承諾的關注，熱泵正在成為室內和熱水供暖系統(tǒng)脫碳的主要工具。

根據國際能源署 (IEA) 的數據，全球熱泵的安裝數量預計將從 2020 年的 1.8 億臺增加至 2030 年的約 6 億臺。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。預計到 2030 年，熱泵在單體建筑物中的安裝數量將從目前的每月 150 萬臺增加到約 500 萬臺(數據來源：國際能源署)。在美國，《通脹削減法案》為購置熱泵提供稅收抵免和補貼，覆蓋費用的比例具體取決于家庭的資格條件，最高可達 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) 對于控制變頻器壓縮機和風扇的功率流起著至關重要的作用。(圖 2)這些模塊負責調節(jié)三相電機的供電頻率和電壓，有助于實現更高的壓縮機和泵能效標準。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 廣泛用于各種應用和系統(tǒng)。由于高度集成，無論是在功率級、驅動器還是保護方面，IPM 都有助于縮短開發(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 系列產品，為三相變頻應用設立了新標準。這一突破性技術不僅滿足了持續(xù)增長的節(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見的是，具有全新和改進功能的 SPM31 IPM 將在熱泵市場上產生深遠影響。

圖 3：1200 V SPM31 IPM

更高的效率和功率密度

SPM31 IPM 采用最新的第 7 代 IGBT 場截止 (FS7) 技術，具備高效率和高穩(wěn)健性。優(yōu)化的開關單元設計和緩沖配置，以及窄電氣參數分布，可消除單個和并聯(lián)器件操作中的短路振蕩現象。此外，該技術還采用亞微米溝槽柵單元間距，增加了通道密度，降低了導通損耗。同時，經過優(yōu)化的柵極電容確保了平滑的開關波形和較低的開關損耗。發(fā)射極一側采用多層 FS 技術增強了阻斷能力，減小了漂移層厚度，從而降低了導通和開關能量損失。FS7 IGBT 的開發(fā)側重于優(yōu)化 Vcesat 和 Eoff，以實現先進的器件性能。

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