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設備。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，熱泵廣泛用於冬天取暖，產生熱水，工業烘乾，溫室養殖等。
簡單講，熱泵就是一個能量的搬運工，對於用戶而言，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，就來源於大自然，根據熱源的不同，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於1的，只賺不賠……
說了這麼多，熱泵究竟長啥樣呢，圖1來自於美的集團空氣源熱泵的一份產品手冊，是不是和常見的空調外機非常像，對的，從其內部硬體來看，它確實和空調外機沒什麼區別，只是空調採用的是卡諾循環原理，把熱量從室內搬運到室外，而熱泵採用的是逆卡諾循環原理，把熱量從室外搬運到室內。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
熱泵的結構以及諧波電流法規
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這一功率環節。沒錯，對於用電設備產生的諧波電流，全球各國以及地區都制定了明確的法規，熱泵產品只有滿足了諧波電流法規要求，才能在所在國家和地區進行銷售，PFC也就是功率因素校正， 則可以有效改善用電設備的輸入諧波電流並提高其功率因素。
熱泵室外機電路結構框圖
根據用電設備的輸入相電流大小，可以把用電設備分為兩大類，適用不同的法規進行諧波電流的市場准入管理。如圖3，以輸入相電流有效值等於16A為界，當用電設備的輸入相電流有效值小於或者等於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；當用電設備的輸入相電流有效值大於16A時，則適用IEC 61000-3-12。這兩個主要的諧波電流法規最近有更新，但內容主體基本不變。最新的IEC 61000-3-2: 2019+A1-2021，將於2024年4月9日起執行；國標GB17625.1-2022，將於2024年7月1日起執行。
這裡需要敲黑板的是，是以輸入相電流有效值，而不是根據單相輸入還是三相輸入，來決定究竟適用哪個法規。確定好適用的法規後，再根據對應的細分類別去查看具體的諧波電流限值要求。
圖3 輸入諧波電流法規和分類
英飛凌的產品解決方案
正如前面所講到，無論是單相熱泵還是三相熱泵，都需要PFC，逆變器和對應的驅動IC，控制器IC，作為業內知名半導體廠商，英飛凌當然可以提供一站式解決方案。
以三相熱泵為例，對於輸入相電流有效值大於16A的熱泵產品，因為諧波電流標準相對比較寬鬆，所以，採用被動式PFC，也就是通過在直流母線上串聯直流電抗器，與母線電解電容一起構成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模塊可選電流範圍
▎3.2 當輸入相電流有效值小於等於16A時（模塊方案）
對於輸入相電流有效值小於或者等於16A的三相熱泵產品，目前市場上被動式PFC和主動式APFC的方案並存，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，只能安裝到機殼內壁，然後通過導線連接到PCB板上，導致生產線裝配成本也上去了。
通常，只有提高開關頻率，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，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 採用被動式PFC的熱泵電路框圖 （相電流≤16A）
圖7 採用三電平Vienna主動式APFC的熱泵電路框圖
圖8 採用三相B6主動式APFC的 熱泵電路框圖
對於三電平Vienna整流器，英飛凌有EASY2B封裝的FS3L35R07W2H5_C56和FS3L35R07W2H5_C40兩個模塊可選，兩個模塊的區別是C56是焊接版本，C40是壓接版本，其他參數都一樣。模塊內部IGBT採用35A的H5，可支持開關頻率到40 kHz，輸出功率8 kW左右。
圖9 FS3L35R07W2H5 Vienna模塊
對於三相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，最高可支持開關頻率80kHz。目前已經有客戶採用IM828-XCC做三相B6 PFC，開關頻率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於等於16A時（單管IGBT方案）
如果基於成本考慮，也可以採用單管去搭建三相B6 APFC，因為B6是兩電平的拓撲，每個開關直接承受全部的母線電壓應力，所以，如果採用常規的IGBT，通常開關頻率只能設置為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板上還是挑戰頗大，因此，如果有一款IGBT的單管，既能滿足比較高的開關頻率，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，則是這樣一款優秀的產品，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，把開關頻率進一步提升，見圖13，單個IGBT的電流已經可以達到140A，也就意味著即使不用單管並聯的方式，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，可用於單相的Boost PFC和交錯式PFC，詳情請登錄英飛凌官網查看。
小結
對於熱泵應用中的輸入諧波電流，無論是採用被動式PFC還是主動式APFC，英飛凌均有豐富的產品系列，簡要概括見表1。被動式PFC的優點是簡單易操作，缺點也很明顯，更換輸入電壓或者功率後，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，主要的難度在於軟體控制算法層面，需要投入大量的研發資源去開發。長遠來看，隨著諧波電流法規的趨嚴以及終端客戶的更高要求，採用主動式APFC是一個必然趨勢。
表1 英飛凌三相熱泵解決方案概要
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