熱泵是提供高效和環(huán)保供暖的一種久經(jīng)考驗的方法。它是全球可持續供暖趨勢背后的驅動(dòng)力，并以低排放的電力運行。與傳統鍋爐和低排放氫氣以及其它可再生和傳統建筑系統相比，能源效率是評估熱泵的關(guān)鍵因素。通過(guò)改用熱泵，歐盟（EU）可能會(huì )大幅減少天然氣供暖的使用。由于俄羅斯和烏克蘭之間持續的沖突，天然氣價(jià)格漲幅最大，這也可能有助于實(shí)現這一目標。2021年全球熱泵銷(xiāo)售增長(cháng)率超過(guò)15%，是前十年增長(cháng)率的兩倍。歐盟的銷(xiāo)售額增長(cháng)了驚人的35%，這是推動(dòng)這一擴張的主要因素。

　　從2021年到2026年，全球熱泵市場(chǎng)的預計復合年增長(cháng)率為9.5%，預計到 2026年，全球熱泵市場(chǎng)的收入將從2021年的532億美元增加到835億美元。預計到2030年，歐盟的熱泵安裝數量將比2021年大幅增長(cháng)335%，將超過(guò) 670萬(wàn)臺。根據EIA的一份報告，到2030年，全球將有約6億臺熱泵安裝，高于2020年的1.8億臺。

　　01、功率模塊在提高熱泵效率方面的重要性

　　熱泵是用于冷卻和加熱的多功能節能技術(shù)。熱泵可以通過(guò)換向閥改變制冷劑的流動(dòng)方向，使其能夠加熱或冷卻房屋。該過(guò)程涉及空氣通過(guò)蒸發(fā)器盤(pán)管，促進(jìn)熱能從空氣到制冷劑的傳遞。熱能在制冷劑內循環(huán)，然后通過(guò)冷凝器盤(pán)管釋放，而風(fēng)扇則將空氣吹過(guò)盤(pán)管。在此過(guò)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(zhù)我們努力實(shí)現無(wú)碳排放的未來(lái)，對具有高效電機控制功能的功率半導體的需求量很大。在提高效率的同時(shí)，減小系統的整體尺寸和成本至關(guān)重要。

　　圖1 熱泵的工作原理

　　壓縮機和泵的新能效法規的實(shí)施需要集成電子控制電機，這給電力電子設計人員帶來(lái)了額外的障礙。與非逆變器系統相比，在冷卻器中使用采用智能功率模塊（IPM）技術(shù)的逆變器系統能夠將功耗降低30%，因此得到廣泛認可。

　　IPM通過(guò)精確調節發(fā)送到三相電機的電力的頻率和電壓來(lái)調節流向熱泵系統中變頻壓縮機和風(fēng)扇的功率（圖2）。高效控制電機有助于實(shí)現更高的壓縮機和泵能效標準。選擇高能效、緊湊的IPM產(chǎn)品不僅可以節省能源，還可以讓設計人員節省安裝空間，提高性能，同時(shí)縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間。SPM31系列1200V IGBT IPM是三相熱泵應用的理想解決方案。

　　圖2 三相熱泵框圖

　　02、SPM 31：高能效電機控制

　　SPM31 IPM采用最新的場(chǎng)截止（FS7）IGBT和7代二極管技術(shù)，可實(shí)現卓越的效率和魯棒性。這兩種技術(shù)都顯著(zhù)降低了電磁干擾（EMI）、功率損耗并提高了功率密度。這些模塊配備柵極驅動(dòng)集成電路（IC）和其它保護功能，例如欠壓鎖定、過(guò)流關(guān)斷、溫度監控和故障報告（圖3）。

　　圖3 熱泵系統中的1200V SPM31 IPM

　　此外，與上一代解決方案和其它IPM替代方案相比，SPM31 IPM的尺寸更小 （54.5 mm x 31mm x 5.6 mm）（圖4）。SPM31解決方案可實(shí)現高功率密度、更高的性能和更低的總系統成本。由于它們在更小的封裝尺寸中具有堅固性，因此是節省安裝空間的理想解決方案。

　　圖4 SPM 31 IPM封裝

　　SPM31模塊產(chǎn)品結構的目標是減少尺寸和低功耗，提高可靠性。這是通過(guò)使用新的FS7 IGBT技術(shù)和基于轉模封裝的增強型直接鍵合銅（DBC）基板以及新的柵極驅動(dòng)高壓集成電路（HVIC）來(lái)實(shí)現的。SPM31用于低側IGBT驅動(dòng)的低壓IC（LVIC）集成了溫度檢測功能，可提高系統的整體可靠性。LVIC產(chǎn)生與其溫度成正比的模擬信號。該電壓用于監控模塊的溫度并實(shí)施必要的保護措施以防止過(guò)熱。

　　SPM31的一個(gè)相關(guān)特性是其集成的 HVIC 可高效運行，將邏輯電平柵極輸入轉換為隔離式不同電平柵極驅動(dòng)，用于有效操作模塊內部的IGBT。每相都提供單獨的負極IGBT端子，以適應各種控制方法。

　　對于大功率應用，封裝的散熱對于確保所需的性能至關(guān)重要。高質(zhì)量封裝技術(shù)的關(guān)鍵方面是能夠優(yōu)化封裝尺寸，同時(shí)保持出色的散熱性能，同時(shí)不影響隔離等級。SPM31 器件采用 DBC 基板技術(shù)，具有出色的散熱性能。該技術(shù)能夠增強可靠性和散熱性。功率芯片以物理方式固定在 DBC 基板上（圖 5）。

　　圖5 SPM 31封裝的橫截面圖

　　03、結論

　　預計熱泵的性能將比傳統化石燃料鍋爐高出三倍，從而導致其安裝速度從每月 150萬(wàn)臺增加到2030年約500萬(wàn)臺，增長(cháng)三倍。SPM31 IPM系列等功率半導體技術(shù)不僅可以提高熱泵系統的效率，還可以降低能耗和碳排放。

　　參考文獻

　　1．MarketAndMarkets, Heat Pump Market – Global Forecast to 2029

　　2．IEA Report, Installation of about 600 million heat pumps covering 20% of buildings heating needs required by 2030