熱泵是提供高效和環保供暖的一種久經考驗的方法。它是全球可持續供暖趨勢背后的驅動力，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鍵因素。通過改用熱泵，歐盟（EU）可能會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，天然氣價格漲幅最大，這也可能有助于實現這一目標。2021年全球熱泵銷售增長率超過15%，是前十年增長率的兩倍。歐盟的銷售額增長了驚人的35%，這是推動這一擴張的主要因素。

從2021年到2026年，全球熱泵市場的預計復合年增長率為9.5%，預計到 2026年，全球熱泵市場的收入將從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335%，將超過 670萬臺。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。

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。熱泵可以通過換向閥改變制冷劑的流動方向，使其能夠加熱或冷卻房屋。該過程涉及空氣通過蒸發器盤管，促進熱能從空氣到制冷劑的傳遞。熱能在制冷劑內循環，然后通過冷凝器盤管釋放，而風扇則將空氣吹過盤管。在此過程中，熱能從一個位置傳遞到另一個位置，如下圖1所示。隨著我們努力實現無碳排放的未來，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，減小系統的整體尺寸和成本至關重要。

圖1 熱泵的工作原理

壓縮機和泵的新能效法規的實施需要集成電子控制電機，這給電力電子設計人員帶來了額外的障礙。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通過精確調節發送到三相電機的電力的頻率和電壓來調節流向熱泵系統中變頻壓縮機和風扇的功率（圖2）。高效控制電機有助于實現更高的壓縮機和泵能效標準。選擇高能效、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，提高性能，同時縮短開發時間。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

?SPM 31：高能效電機控制

SPM31 IPM采用最新的場截止（FS7）IGBT和7代二極管技術，可實現卓越的效率和魯棒性。這兩種技術都顯著降低了電磁干擾（EMI）、功率損耗并提高了功率密度。這些模塊配備柵極驅動集成電路（IC）和其它保護功能，例如欠壓鎖定、過流關斷、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模塊產品結構的目標是減少尺寸和低功耗，提高可靠性。這是通過使用新的FS7 IGBT技術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高壓集成電路（HVIC）來實現的。SPM31用于低側IGBT驅動的低壓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，將邏輯電平柵極輸入轉換為隔離式不同電平柵極驅動，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，同時不影響隔離等級。SPM31 器件采用 DBC 基板技術，具有出色的散熱性能。該技術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

?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 150萬臺增加到2030年約500萬臺，增長三倍。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。