熱泵是一種多功能節(jié)能技術(shù)，可用于制冷和制熱。熱泵可以通過(guò)換向閥改變制冷劑流動(dòng)的方向，從而既可以加熱也可以冷卻房屋。該過(guò)程涉及空氣穿過(guò)蒸發(fā)器盤管，從而促進(jìn)熱能從空氣轉(zhuǎn)移到制冷劑。熱能在制冷劑內(nèi)循環(huán)，然后通過(guò)冷凝器盤管釋放，同時(shí)風(fēng)扇將空氣吹過(guò)盤管。在此過(guò)程中，熱能從一個(gè)位置轉(zhuǎn)移到另一個(gè)位置，如下圖 1 所示。隨著我們努力實(shí)現(xiàn)零碳排放的未來(lái)，具有高效電機(jī)控制功能的功率半導(dǎo)體需求旺盛。降低系統(tǒng)的整體尺寸和成本，同時(shí)提高效率至關(guān)重要。

壓縮機(jī)和泵的新能效法規(guī)的實(shí)施要求必須采用電子控制電機(jī)，這給電力電子設(shè)計(jì)師帶來(lái)了額外的障礙。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(tǒng)因其能夠比非逆變器系統(tǒng)降低 30% 的功耗而受到廣泛認(rèn)可。

IPM 通過(guò)調(diào)節(jié)發(fā)送到三相電機(jī)的電力的頻率和電壓來(lái)調(diào)節(jié)熱泵系統(tǒng)中逆變器壓縮機(jī)和風(fēng)扇的功率流（圖 2）。高效控制電機(jī)有助于實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)和泵的更高能效標(biāo)準(zhǔn)。選擇節(jié)能且緊湊的 IPM 產(chǎn)品不僅可以節(jié)省能源，還可以讓設(shè)計(jì)人員節(jié)省安裝空間并提高性能，同時(shí)縮短開發(fā)時(shí)間。諸如 onsemi 的 SPM31 系列 1200 V IGBT 之類的 IPM 是三相熱泵應(yīng)用的理想解決方案。

圖 2：三相熱泵框圖

SPM 31：節(jié)能電機(jī)控制

SPM31 IPM采用了的 Field Stop 7 (FS7) IGBT 和第7代二極管技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了卓越的效率和穩(wěn)定性。這兩項(xiàng)技術(shù)都顯著降低了電磁干擾 (EMI)、降低了功率損耗并提高了功率密度。這些模塊配備了柵極驅(qū)動(dòng)集成電路 (IC) 和其他保護(hù)功能，例如欠壓鎖定、過(guò)流關(guān)斷、溫度監(jiān)控和故障（圖 3）。

圖 3：熱泵系統(tǒng)中的 1200 V SPM31 IPM

此外，與上一代解決方案和其他 IPM 替代方案相比，SPM31 IPM 的尺寸更小（54.5 毫米 x 31 毫米 x 5.6 毫米）（圖 4）。SPM31 解決方案可實(shí)現(xiàn)高功率密度、更高的性能和更低的總系統(tǒng)成本。由于它們?cè)谳^小的封裝尺寸中具有堅(jiān)固性，因此它們是節(jié)省安裝空間的理想解決方案。

SPM31 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的目標(biāo)是減小占用空間、實(shí)現(xiàn)具有增強(qiáng)可靠性的低功耗模塊。這是通過(guò)使用新的 FS7 IGBT 技術(shù)和基于傳遞模封裝的增強(qiáng)型直接覆銅 (DBC) 基板以及新的柵極驅(qū)動(dòng)高壓集成電路 (HVIC) 來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

SPM31 的低壓 IC (LVIC) 用于驅(qū)動(dòng)低側(cè) IGBT，具有溫度傳感功能，可提高系統(tǒng)的整體可靠性。LVIC 可生成與其溫度成正比的模擬信號(hào)。該電壓用于監(jiān)控模塊的溫度并實(shí)施必要的保護(hù)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(yùn)行，將邏輯電平門輸入轉(zhuǎn)換為隔離的不同電平門驅(qū)動(dòng)，用于高側(cè) IGBT，這對(duì)于有效運(yùn)行模塊的內(nèi)部 IGBT 必不可少。每個(gè)相都提供單獨(dú)的負(fù)IGBT端子，以適應(yīng)各種控制方法。

對(duì)于高功率應(yīng)用，封裝的散熱對(duì)于確保所需性能至關(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，而不會(huì)影響隔離等級(jí)。SPM31 器件采用 DBC 基板技術(shù)，從而具有出色的散熱性能。該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)的可靠性和散熱性能。功率芯片物理固定在 DBC 基板上（圖 5）。

結(jié)論

預(yù)計(jì)熱泵的性能將比傳統(tǒng)化石燃料鍋爐高出三倍，從而導(dǎo)致其安裝速度從每月 150 萬(wàn)臺(tái)增加三倍，到 2030 年將達(dá)到約 500 萬(wàn)臺(tái)。安森美半導(dǎo)體的 SPM31 IPM 系列等功率半導(dǎo)體技術(shù)不僅可以提高熱泵系統(tǒng)的效率，還可以降低能耗和碳排放。