【導讀】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，工業烘幹，溫室養殖等。

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
，工業烘幹，溫室養殖等。

jiandanjiang
，rebengjiushiyigenengliangdebanyungong，duiyuyonghueryan，hualeyifendianfei
，huodelesifenshenzhigengduodereliang
，zheduochulaidereliang，jiulaiyuanyudaziran，genjureyuandebutong
，rebengfenweikongqiyuanrebeng
，shuiyuanrebeng，direyuanrebengdeng。suoyi，rebengdenengxiaotianranjiushidayu1的
，隻賺不賠……

說了這麼多，熱泵究竟長啥樣呢，圖1laiziyumeidejituankongqiyuanrebengdeyifenchanpinshouce，shibushihechangjiandekongtiaowaijifeichangxiang，duide，congqineibuyingjianlaikan，taqueshihekongtiaowaijimeishenmequbie，zhishikongtiaocaiyongdeshikanuoxunhuanyuanli，bareliangcongshineibanyundaoshiwai
，errebengcaiyongdeshinikanuoxunhuanyuanli，bareliangcongshiwaibanyundaoshinei。yizhengyifan

，budebugantankexuedeshenqi。

圖1 空氣源熱泵及其應用示意圖

2 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zhe一yi功gong率lv環huan節jie。沒mei錯cuo
，對dui於yu用yong電dian設she備bei產chan生sheng的de諧xie波bo電dian流liu，全quan球qiu各ge國guo以yi及ji地di區qu都dou製zhi定ding了le明ming確que的de法fa規gui，熱re泵beng產chan品pin隻zhi有you滿man足zu了le諧xie波bo電dian流liu法fa規gui要yao求qiu，才cai能neng在zai所suo在zai國guo家jia和he地di區qu進jin行xing銷xiao售shou，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。

圖2 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準入管理。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(zhe)裏(li)需(xu)要(yao)敲(qiao)黑(hei)板(ban)的(de)是(shi)，是(shi)以(yi)輸(shu)入(ru)相(xiang)電(dian)流(liu)有(you)效(xiao)值(zhi)，而(er)不(bu)是(shi)根(gen)據(ju)單(dan)相(xiang)輸(shu)入(ru)還(hai)是(shi)三(san)相(xiang)輸(shu)入(ru)
，來(lai)決(jue)定(ding)究(jiu)竟(jing)適(shi)用(yong)哪(na)個(ge)法(fa)規(gui)。確(que)定(ding)好(hao)適(shi)用(yong)的(de)法(fa)規(gui)後(hou)，再(zai)根(gen)據(ju)對(dui)應(ying)的(de)細(xi)分(fen)類(lei)別(bie)去(qu)查(zha)看(kan)具(ju)體(ti)的(de)諧(xie)波(bo)電(dian)流(liu)限(xian)值(zhi)要(yao)求(qiu)。

圖3 輸入諧波電流法規和分類

3 英飛淩的產品解決方案

正如前麵所講到
，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
，控製器IC，作為業內知名半導體廠商，英飛淩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於16A時（模塊方案）

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，采用被動式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，製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，英飛淩提供了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(mo)塊(kuai)，在(zai)整(zheng)流(liu)橋(qiao)之(zhi)前(qian)加(jia)入(ru)三(san)相(xiang)交(jiao)流(liu)電(dian)抗(kang)器(qi)，這(zhe)種(zhong)方(fang)式(shi)簡(jian)單(dan)易(yi)操(cao)作(zuo)，當(dang)然(ran)，缺(que)點(dian)也(ye)很(hen)明(ming)顯(xian)，為(wei)了(le)滿(man)足(zu)諧(xie)波(bo)電(dian)流(liu)限(xian)值(zhi)的(de)要(yao)求(qiu)，在(zai)單(dan)個(ge)交(jiao)流(liu)電(dian)抗(kang)器(qi)上(shang)的(de)壓(ya)降(jiang)可(ke)達(da)到(dao)輸(shu)入(ru)相(xiang)電(dian)壓(ya)的(de)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，隻能安裝到機殼內壁
，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
，隻有提高開關頻率，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 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

對於三電平Vienna整流器，英飛淩有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采用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
，英飛淩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，其內部框圖見圖11。目前已經有客戶采用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，每個開關直接承受全部的母線電壓應力，所以，如果采用常規的IGBT，通常開關頻率隻能設置為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。

英飛淩的1200V H7係列IGBT單管，則是這樣一款優秀的產品
，見圖12，相比此前的多個係列的IGBT，其總損耗下降了40%~50%
，所以，如果保持輸出電流不變，H7係列單管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與其他係列IGBT的損耗對比

圖12 H7係列單管IGBT型號與封裝

當然，英飛淩也同步推出了650V的H7係列單管IGBT
，可用於單相的Boost PFC和交錯式PFC，詳情請登錄英飛淩官網查看。

小結 

對於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
，英飛淩均有豐富的產品係列，簡要概括見表1。被動式PFCdeyoudianshijiandanyicaozuo，quedianyehenmingxian
，genghuanshurudianyahuozhegonglvhou，diankangqijiudezhongxinqushicoupipei
，buranmoucixiebojiuhuixiangdadishuyiyangchaobiaomaochulai
；主動式APFC則ze沒mei有you這zhe個ge煩fan惱nao，主zhu要yao的de難nan度du在zai於yu軟ruan件jian控kong製zhi算suan法fa層ceng麵mian，需xu要yao投tou入ru大da量liang的de研yan發fa資zi源yuan去qu開kai發fa。長chang遠yuan來lai看kan
，隨sui著zhe諧xie波bo電dian流liu法fa規gui的de趨qu嚴yan以yi及ji終zhong端duan客ke戶hu的de更geng高gao要yao求qiu，采cai用yong主zhu動dong式shiAPFC是一個必然趨勢。

表1 英飛淩三相熱泵解決方案概要

原創：伍堂順  來源：英飛淩

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