热泵是一种多功能节能技术，可用于制冷和制热。热泵可以通过换向阀改变制冷剂流动的方向，从而既可以加热也可以冷却房屋。该过程涉及空气穿过蒸发器盘管，从而促进热能从空气转移到制冷剂。热能在制冷剂内循环，然后通过冷凝器盘管释放，同时风扇将空气吹过盘管。在此过程中，热能从一个位置转移到另一个位置，如下图 1 所示。随着我们努力实现零碳排放的未来，具有高效电机控制功能的功率半导体需求旺盛。降低系统的整体尺寸和成本，同时提高效率至关重要。
压缩机和泵的新能效法规的实施要求必须采用电子控制电机，这给电力电子设计师带来了额外的障碍。在冷却器中使用采用智能功率模块 (IPM) 技术的逆变器系统因其能够比非逆变器系统降低 30% 的功耗而受到广泛认可。
IPM 通过调节发送到三相电机的电力的频率和电压来调节热泵系统中逆变器压缩机和风扇的功率流（图 2）。高效控制电机有助于实现压缩机和泵的更高能效标准。选择节能且紧凑的 IPM 产品不仅可以节省能源，还可以让设计人员节省安装空间并提高性能，同时缩短开发时间。诸如 onsemi 的 SPM31 系列 1200 V IGBT 之类的 IPM 是三相热泵应用的理想解决方案。
图 2：三相热泵框图
SPM 31：节能电机控制
SPM31 IPM采用了的 Field Stop 7 (FS7) IGBT 和第7代二极管技术，实现了卓越的效率和稳定性。这两项技术都显著降低了电磁干扰 (EMI)、降低了功率损耗并提高了功率密度。这些模块配备了栅极驱动集成电路 (IC) 和其他保护功能，例如欠压锁定、过流关断、温度监控和故障（图 3）。
图 3：热泵系统中的 1200 V SPM31 IPM
此外，与上一代解决方案和其他 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）（图 4）。SPM31 解决方案可实现高功率密度、更高的性能和更低的总系统成本。由于它们在较小的封装尺寸中具有坚固性，因此它们是节省安装空间的理想解决方案。
SPM31 产品结构的目标是减小占用空间、实现具有增强可靠性的低功耗模块。这是通过使用新的 FS7 IGBT 技术和基于传递模封装的增强型直接覆铜 (DBC) 基板以及新的栅极驱动高压集成电路 (HVIC) 来实现的。
SPM31 的低压 IC (LVIC) 用于驱动低侧 IGBT，具有温度传感功能，可提高系统的整体可靠性。LVIC 可生成与其温度成正比的模拟信号。该电压用于监控模块的温度并实施必要的保护措施以防止过热。
SPM31 的一个相关特性是其集成的 HVIC 可高效运行，将逻辑电平门输入转换为隔离的不同电平门驱动，用于高侧 IGBT，这对于有效运行模块的内部 IGBT 必不可少。每个相都提供单独的负IGBT端子，以适应各种控制方法。
对于高功率应用，封装的散热对于确保所需性能至关重要。高质量封装技术的关键方面是能够优化封装尺寸，同时保持出色的散热性能，而不会影响隔离等级。SPM31 器件采用 DBC 基板技术，从而具有出色的散热性能。该技术可以实现增强的可靠性和散热性能。功率芯片物理固定在 DBC 基板上（图 5）。
结论
预计热泵的性能将比传统化石燃料锅炉高出三倍，从而导致其安装速度从每月 150 万台增加三倍，到 2030 年将达到约 500 万台。安森美半导体的 SPM31 IPM 系列等功率半导体技术不仅可以提高热泵系统的效率，还可以降低能耗和碳排放。
