熱泵及其諧波電流解決方案

熱泵，英文heat pump，它有2個定義，定義1：從低溫熱源吸熱送往高溫熱源的循環(huán)設(shè)備。定義2：以消耗一部分高品位能源(機械能、電能或高溫熱能)為補償,使熱能從低溫熱源向高溫熱源傳遞的裝置。所以，熱泵廣泛用于冬天取暖，產(chǎn)生熱水，工業(yè)烘干，溫室養(yǎng)殖等。

1 熱泵簡介

熱泵，英文heat pump，它有2個定義，定義1：從低溫熱源吸熱送往高溫熱源的循環(huán)設(shè)備。定義2：以消耗一部分高品位能源(機械能、電能或高溫熱能)為補償,使熱能從低溫熱源向高溫熱源傳遞的裝置。所以，熱泵廣泛用于冬天取暖，產(chǎn)生熱水，工業(yè)烘干，溫室養(yǎng)殖等。

簡單講，熱泵就是一個能量的搬運工，對于用戶而言，花了一份電費，獲得了四份甚至更多的熱量，這多出來的熱量，就來源于大自然，根據(jù)熱源的不同，熱泵分為空氣源熱泵，水源熱泵，地熱源熱泵等。所以，熱泵的能效天然就是大于1的，只賺不賠……

說了這么多，熱泵究竟長啥樣呢，圖1來自于美的集團空氣源熱泵的一份產(chǎn)品手冊，是不是和常見的空調(diào)外機非常像，對的，從其內(nèi)部硬件來看，它確實和空調(diào)外機沒什么區(qū)別，只是空調(diào)采用的是卡諾循環(huán)原理，把熱量從室內(nèi)搬運到室外，而熱泵采用的是逆卡諾循環(huán)原理，把熱量從室外搬運到室內(nèi)。一正一反，不得不感嘆科學的神奇。

圖1 空氣源熱泵及其應用示意圖

2 熱泵的結(jié)構(gòu)以及諧波電流法規(guī)

熱泵按照交流輸入電源可以分為單相熱泵和三相熱泵，其輸出電功率可覆蓋3 kW到幾十千瓦。如圖2所示，熱泵的室外機，主要由三部分構(gòu)成，包含PFC、壓縮機逆變器和風機逆變器。

估計眼尖的讀者已經(jīng)注意到了，無論是單相熱泵，還是三相熱泵，都包含了PFC這一功率環(huán)節(jié)。沒錯，對于用電設(shè)備產(chǎn)生的諧波電流，全球各國以及地區(qū)都制定了明確的法規(guī)，熱泵產(chǎn)品只有滿足了諧波電流法規(guī)要求，才能在所在國家和地區(qū)進行銷售，PFC也就是功率因素校正， 則可以有效改善用電設(shè)備的輸入諧波電流并提高其功率因素。

圖2 熱泵室外機電路結(jié)構(gòu)框圖

根據(jù)用電設(shè)備的輸入相電流大小，可以把用電設(shè)備分為兩大類，適用不同的法規(guī)進行諧波電流的市場準入管理。如圖3，以輸入相電流有效值等于16A為界，當用電設(shè)備的輸入相電流有效值小于或者等于16A時，適用IEC 61000-3-2，對應的國標就是GB17625.1，這也是廣大工程師最熟悉的；當用電設(shè)備的輸入相電流有效值大于16A時，則適用IEC 61000-3-12。這兩個主要的諧波電流法規(guī)最近有更新，但內(nèi)容主體基本不變。最新的IEC 61000-3-2: 2019+A1-2021，將于2024年4月9日起執(zhí)行；國標GB17625.1-2022，將于2024年7月1日起執(zhí)行。

這里需要敲黑板的是，是以輸入相電流有效值，而不是根據(jù)單相輸入還是三相輸入，來決定究竟適用哪個法規(guī)。確定好適用的法規(guī)后，再根據(jù)對應的細分類別去查看具體的諧波電流限值要求。

圖3 輸入諧波電流法規(guī)和分類

3 英飛凌的產(chǎn)品解決方案

正如前面所講到，無論是單相熱泵還是三相熱泵，都需要PFC，逆變器和對應的驅(qū)動IC，控制器IC，作為業(yè)內(nèi)知名半導體廠商，英飛凌當然可以提供一站式解決方案。

3.1 當輸入相電流有效值大于16A時（模塊方案）

以三相熱泵為例，對于輸入相電流有效值大于16A的熱泵產(chǎn)品，因為諧波電流標準相對比較寬松，所以，采用被動式PFC，也就是通過在直流母線上串聯(lián)直流電抗器，與母線電解電容一起構(gòu)成LC 濾波器的方式，即可滿足諧波電流限值的要求，因此，PIM模塊就成了當仁不讓的最佳選擇，如圖4，PIM模塊將三相整流橋，制動橋臂和三相逆變橋全部集成到了一個模塊中，充分滿足了客戶PCBA小型化的需求。根據(jù)逆變IGBT電流的不同，英飛凌提供了EASY和Econo兩個大類封裝的多款PIM模塊，如圖5，工程師朋友們可以靈活選擇。

圖4  IGBT PIM模塊及被動式PFC電路框圖

（相電流>16A）

圖 5  EASY封裝和Econo封裝IGBT7 

PIM模塊可選電流范圍

3.2 當輸入相電流有效值小于等于16A時（模塊方案）

對于輸入相電流有效值小于或者等于16A的三相熱泵產(chǎn)品，目前市場上被動式PFC和主動式APFC的方案并存，如圖6，圖7，圖8。圖6是被動式PFC方案，可以選用25A的PIM模塊，在整流橋之前加入三相交流電抗器，這種方式簡單易操作，當然，缺點也很明顯，為了滿足諧波電流限值的要求，在單個交流電抗器上的壓降可達到輸入相電壓的2%-4%，所以，交流電抗器感值大，效率低，個頭重，不能安裝在PCB板上，只能安裝到機殼內(nèi)壁，然后通過導線連接到PCB板上，導致生產(chǎn)線裝配成本也上去了。

通常，只有提高開關(guān)頻率，才能有效減小磁性器件的體積，所以，既能滿足諧波電流法規(guī)，又高效，還能把電感或者電抗器安裝到PCB板上的有源PFC方案就成了最優(yōu)選擇，如圖7，圖8，三電平Vienna整流器和三相B6的APFC方案，均可滿足諧波電流限值和板載PFC電感的要求。

圖6 采用被動式PFC的熱泵電路框圖

（相電流≤16A）

圖7 采用三電平Vienna主動式APFC的熱泵電路框圖

圖8 采用三相B6主動式APFC的熱泵電路框圖

對于三電平Vienna整流器，英飛凌有EASY2B封裝的FS3L35R07W2H5_C56和FS3L35R07W2H5_C40兩個模塊可選，封裝如圖9，兩個模塊的區(qū)別是C56是焊接版本，C40是壓接版本，其他參數(shù)都一樣。模塊內(nèi)部IGBT采用35A的H5，可支持開關(guān)頻率到40 kHz，輸出功率8 kW左右。

圖9 FS3L35R07W2H5 Vienna模塊

對于三相B6的有源PFC方案，英飛凌則提供了高集成度的1200V SiC MOSFET IPM方案，IM828-XCC，最高可支持開關(guān)頻率80kHz，其內(nèi)部框圖見圖11。目前已經(jīng)有客戶采用IM828-XCC做三相B6 PFC，開關(guān)頻率36kHz，輸出功率8 kw，最高效率達到98.1%。

圖10 SiC MOSFET IPM IM828

3.3 當輸入相電流有效值小于等于16A時（單管IGBT方案）

如果基于成本考慮，也可以采用單管去搭建三相B6 APFC，因為B6是兩電平的拓撲，每個開關(guān)直接承受全部的母線電壓應力，所以，如果采用常規(guī)的IGBT，通常開關(guān)頻率只能設(shè)置為10kHz左右，這樣導致三相PFC的電感感值還是偏大，個頭重，放置在PCB板上還是挑戰(zhàn)頗大，因此，如果有一款I(lǐng)GBT的單管，既能滿足比較高的開關(guān)頻率，成本還有競爭力，那就相當有吸引力了。

英飛凌的1200V H7系列IGBT單管，則是這樣一款優(yōu)秀的產(chǎn)品，見圖12，相比此前的多個系列的IGBT，其總損耗下降了40%~50%，所以，如果保持輸出電流不變，H7系列單管IGBT的開關(guān)頻率則可提升一倍，或者，通過選擇更大額定電流等級的CH7單管IGBT，把開關(guān)頻率進一步提升，見圖13，單個IGBT的電流已經(jīng)可以達到140A，也就意味著即使不用單管并聯(lián)的方式，也可以輸出非常高的功率。

圖11 H7與其他系列IGBT的損耗對比

圖12 H7系列單管IGBT型號與封裝

當然，英飛凌也同步推出了650V的H7系列單管IGBT，可用于單相的Boost PFC和交錯式PFC，詳情請登錄英飛凌官網(wǎng)查看。

小結(jié) 

對于熱泵應用中的輸入諧波電流，無論是采用被動式PFC還是主動式APFC，英飛凌均有豐富的產(chǎn)品系列，簡要概括見表1。被動式PFC的優(yōu)點是簡單易操作，缺點也很明顯，更換輸入電壓或者功率后，電抗器就得重新去試湊匹配，不然某次諧波就會像打地鼠一樣超標冒出來；主動式APFC則沒有這個煩惱，主要的難度在于軟件控制算法層面，需要投入大量的研發(fā)資源去開發(fā)。長遠來看，隨著諧波電流法規(guī)的趨嚴以及終端客戶的更高要求，采用主動式APFC是一個必然趨勢。

表1 英飛凌三相熱泵解決方案概要

原創(chuàng)：伍堂順  來源：英飛凌