熱泵是一種多功能節能技術，可用于制冷和制熱。熱泵可以通過換向閥改變制冷劑流動的方向，從而既可以加熱也可以冷卻房屋。該過程涉及空氣穿過蒸發器盤管，從而促進熱能從空氣轉移到制冷劑。熱能在制冷劑內循環，然后通過冷凝器盤管釋放，同時風扇將空氣吹過盤管。在此過程中，熱能從一個位置轉移到另一個位置，如下圖 1 所示。隨著我們努力實現零碳排放的未來，具有高效電機控制功能的功率半導體需求旺盛。降低系統的整體尺寸和成本，同時提高效率至關重要。

壓縮機和泵的新能效法規的實施要求必須采用電子控制電機，這給電力電子設計師帶來了額外的障礙。在冷卻器中使用采用智能功率模塊 (IPM) 技術的逆變器系統因其能夠比非逆變器系統降低 30% 的功耗而受到廣泛認可。

IPM 通過調節發送到三相電機的電力的頻率和電壓來調節熱泵系統中逆變器壓縮機和風扇的功率流（圖 2）。高效控制電機有助于實現壓縮機和泵的更高能效標準。選擇節能且緊湊的 IPM 產品不僅可以節省能源，還可以讓設計人員節省安裝空間并提高性能，同時縮短開發時間。諸如 onsemi 的 SPM31 系列 1200 V IGBT 之類的 IPM 是三相熱泵應用的理想解決方案。

圖 2：三相熱泵框圖

SPM 31：節能電機控制

SPM31 IPM采用了的 Field Stop 7 (FS7) IGBT 和第7代二極管技術，實現了卓越的效率和穩定性。這兩項技術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動集成電路 (IC) 和其他保護功能，例如欠壓鎖定、過流關斷、溫度監控和故障（圖 3）。

圖 3：熱泵系統中的 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。由于它們在較小的封裝尺寸中具有堅固性，因此它們是節省安裝空間的理想解決方案。

SPM31 產品結構的目標是減小占用空間、實現具有增強可靠性的低功耗模塊。這是通過使用新的 FS7 IGBT 技術和基于傳遞模封裝的增強型直接覆銅 (DBC) 基板以及新的柵極驅動高壓集成電路 (HVIC) 來實現的。

SPM31 的低壓 IC (LVIC) 用于驅動低側 IGBT，具有溫度傳感功能，可提高系統的整體可靠性。LVIC 可生成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施必要的保護措施以防止過熱。

SPM31 的一個相關特性是其集成的 HVIC 可高效運行，將邏輯電平門輸入轉換為隔離的不同電平門驅動，用于高側 IGBT，這對于有效運行模塊的內部 IGBT 必不可少。每個相都提供單獨的負IGBT端子，以適應各種控制方法。

對于高功率應用，封裝的散熱對于確保所需性能至關重要。高質量封裝技術的關鍵方面是能夠優化封裝尺寸，同時保持出色的散熱性能，而不會影響隔離等級。SPM31 器件采用 DBC 基板技術，從而具有出色的散熱性能。該技術可以實現增強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 萬臺增加三倍，到 2030 年將達到約 500 萬臺。安森美半導體的 SPM31 IPM 系列等功率半導體技術不僅可以提高熱泵系統的效率，還可以降低能耗和碳排放。