How Intelligent Power Modules Are Making Heat Pumps Smarter

智能功率模块让热泵更智能

随着企业向低碳未来迈进，市场越来越需要更高效的功率半导体。开发功率半导体解决方案的关键目标在于，尽量降低系统总成本和缩小尺寸，同时提高效率。于是，智能功率模块 (IPM) 应运而生，并成为热泵市场备受瞩目的解决方案。这种模块结构紧凑、高度集成，具有高功率密度以及先进的控制与监测功能，非常适合热泵应用。

热泵的重要性

根据欧盟统计局数据，在欧盟消耗的所有能源中，约 50% 用于供暖和制冷，而且超过 70% 仍然来自化石燃料（主要是天然气）。在住宅领域，约 80% 的最终能源消耗用于室内和热水供暖。

热泵（图 1）由电力驱动，可以满足供暖、制冷和除湿需求，是一种成熟的可持续供暖解决方案。热泵是家庭和办公室的环保之选，有助于我们逐渐摆脱对化石燃料的依赖，转向使用更多的可再生能源技术。随着全球对能源安全和气候承诺的关注，热泵正在成为室内和热水供暖系统脱碳的主要工具。

根据国际能源署 (IEA) 的数据，全球热泵的安装数量预计将从 2020 年的 1.8 亿台增加至 2030 年的约 6 亿台。与传统化石燃料锅炉相比，热泵的效率至少要高出三倍，因此备受青睐。预计到 2030 年，热泵在单体建筑物中的安装数量将从目前的每月 150 万台增加到约 500 万台（数据来源：国际能源署）。在美国，《通胀削减法案》为购置热泵提供税收抵免和补贴，覆盖费用的比例具体取决于家庭的资格条件，最高可达 100%。

图 1：热泵工作原理

IPM 在提升热泵效率方面的作用

在热泵系统中，智能功率模块 (IPM) 对于控制变频器压缩机和风扇的功率流起着至关重要的作用。（图 2）这些模块负责调节三相电机的供电频率和电压，有助于实现更高的压缩机和泵能效标准。例如，在制冷器中，与非变频系统相比，采用 IPM 的变频系统可降低 30% 的能耗。

IPM 广泛用于各种应用和系统。由于高度集成，无论是在功率级、驱动器还是保护方面，IPM 都有助于缩短开发周期。

图 2：三相热泵框图

安森美 (onsemi) 最近发布了新的 1200 V SPM31 IPM 系列产品，为三相变频应用设立了新标准。这一突破性技术不仅满足了持续增长的节能需求，还致力于降低系统成本和提升整体性能。可以预见的是，具有全新和改进功能的 SPM31 IPM 将在热泵市场上产生深远影响。

图 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 场截止 (FS7) 技术，具备高效率和高稳健性。优化的开关单元设计和缓冲配置，以及窄电气参数分布，可消除单个和并联器件操作中的短路振荡现象。此外，该技术还采用亚微米沟槽栅单元间距，增加了通道密度，降低了导通损耗。同时，经过优化的栅极电容确保了平滑的开关波形和较低的开关损耗。发射极一侧采用多层 FS 技术增强了阻断能力，减小了漂移层厚度，从而降低了导通和开关能量损失。FS7 IGBT 的开发侧重于优化 Vcesat 和 Eoff，以实现先进的器件性能。

由于该技术大力降低了电磁干扰 (EMI)，与上一代产品相比，SPM31 IPM 的功率损耗降低了多达 10％，功率密度提高了多达 9％，IGBT 芯片尺寸缩小了 20％。功率密度的提高有助于设计人员简化布局，腾出热泵系统中的宝贵空间，同时提高效率。SPM31 IPM 提供多种额定电流选项，范围从 15 至 35 安培 (A) 不等。

图 4：SPM31 IPM 尺寸

先进功能确保可靠运行

安森美的 SPM31 IPM 配备了一系列先进功能，以确保可靠运行。这些模块包括栅极驱动器 IC 和各种模块级保护功能，例如：

• 欠压锁定：SPM31 IPM 可防止欠压情况导致系统出现不可预测的操作或对系统造成的损坏。

• 过流关断：此功能可防止过大电流对系统造成永久性损坏。

• 热监测：SPM31 IPM 可以准确感测温度，有助于实现良好的热管理，避免出现过热情况。

• 故障报告：这些模块可检测各种故障并向系统报告，为潜在问题提供早期预警信号。

此外，SPM31 IPM 采用直接键合铜衬底（图 5），热性能出色。这些功能增强了模块的稳健性，使其适合各种应用场景。SPM31 IPM 用途广泛，非常适合暖通空调、热泵、变频驱动器 (VFD)、工业泵和风机以及伺服电机等各种变频驱动应用。

图 5：SPM31 IPM 的横截面

除了 SPM31，安森美还提供了其他多款多功能 IPM 产品系列。（图 6）

图 6：IPM 的应用场景

这些模块应用场景广泛，可实现高效紧凑的解决方案，有望在多个行业引发变革。

热泵应用的重大飞跃

SPM31 IPM 为热泵应用带来了重大突破。这款 IPM 结构紧凑，性能出色，能助力工程师设计出更高效、更可靠且更具成本效益的工业应用系统。

进一步了解 SPM31 IPM 以及这些模块如何为热泵系统带来革命性的变化。

智能功率模块 (IPM)

集成栅极驱动器的高压功率模块，适用于消费类、工业和汽车应用。提供多种三相变频器模块，涵盖 50 W 至 10 kW 的功率级别。多种不同的拓扑结构可供选择，包括 PFC 和输入桥式整流器。