热泵背后的技术：智能功率模块

[导读]热泵是一种既高效又环保的供暖方式，其可靠性和实用性已得到充分验证。它是推动全球向可持续供暖趋势发展的核心力量，运行所需的电力具有低排放的特点。在与传统锅炉、低排放氢能以及其他可再生能源和常规建筑系统相比时，能效是评估热泵的关键因素。

热泵市场的增长

热泵是一种既高效又环保的供暖方式，其可靠性和实用性已得到充分验证。它是推动全球向可持续供暖趋势发展的核心力量，运行所需的电力具有低排放的特点。在与传统锅炉、低排放氢能以及其他可再生能源和常规建筑系统相比时，能效是评估热泵的关键因素。

通过改用热泵，欧盟（EU）可以大幅减少用于取暖的天然气用量。由于俄罗斯与乌克兰之间持续冲突导致天然气价格涨至最高点，这也将有助于减少天然气的使用量。2021 年全球热泵销售增长率超过 15%，是前十年增长率的两倍。欧盟的销售额增长了惊人的 35%，这是推动这一增长的主要因素。

预计 2021-2026 年的复合年增长率（CAGR）为 9.5%，全球热泵市场的收入将从 2021 年的 532 亿美元增至 2026 年的 835 亿美元。欧盟的热泵安装量预计将比 2021 年大幅增长 335%，到 2030 年将超过 670 万台。根据一份 EIA 报告指出，到 2030 年，全球热泵安装量将从 2020 年的 1.8 亿台增加到约 6 亿台。

功率模块对提高热泵效率的重要性

换向阀热泵是一种用于制冷和供暖的多功能、高能效技术。热泵可以通过换向阀改变制冷剂的流动方向，从而实现供暖或制冷。在此过程中，空气通过蒸发器盘管，促进热能从空气转移到制冷剂。热能在制冷剂中循环，然后通过冷凝器盘管释放出来，同时风扇将空气吹过盘管。在此过程中，热能从一个位置传递到另一个位置，如下图 1 所示。随着我们努力实现未来无碳排放，具有高效电机控制能力的功率半导体需求量很大。在提高效率的同时减小系统的整体尺寸和成本至关重要。

换向阀室内盘管压缩机制冷剂沸腾蒸发制冷剂从空气中吸收热量换向阀制冷剂沸腾蒸发制冷剂从空气中吸收热量压缩机膨胀阀室内盘管室外盘管膨胀阀图 1：热泵的工作原理

实施针对压缩机和泵的新能效规定，需要将电子控制电机融入设计中，这为电力电子设计人员带来了额外的挑战。在冷却系统中使用带有智能功率模块（IPM）技术的变频系统，已被广泛认可能比非变频系统减少30%的电力消耗。

IPM 通过精确调节输送到三相电机的电流的频率和电压，来调节热泵系统中变频压缩机和风扇的功率流（图 2）。高效控制电机有助于达到压缩机和泵更高的能效标准。选择高能效、结构紧凑的 IPM 产品不仅能节约能源，还能让设计人员节省安装空间，提高性能，同时缩短开发周期。例如，安森美（onsemi）公司的SPM31系列1200V IGBT就是三相热泵应用的理想解决方案。