原創 伍堂順 英飛凌工業半導體

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迴圈設備。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迴圈原理，把熱量從室內搬運到室外，而熱泵採用的是逆卡諾迴圈原理，把熱量從室外搬運到室內。一正一反，不得不感歎科學的神奇。

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。

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

3 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。

3.1 當輸入相電流有效值大於 16A 時（模組方案）

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 模組就成了當仁不讓的最佳選擇，如圖 4，PIM 模組將三相整流橋，制動橋臂和三相逆變橋全部集成到了一個模組中，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 模組，如圖 5，工程師朋友們可以靈活選擇。

圖 4 IGBT PIM 模組及被動式 PFC 電路框圖
（相電流 > 16A）

圖 5 EASY 封裝和 Econo 封裝 IGBT7
PIM 模組可選電流範圍

3.2 當輸入相電流有效值小於等於 16A 時（模組方案）

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 模組，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 兩個模組可選，封裝如圖 9，兩個模組的區別是 C56 是焊接版本，C40 是壓接版本，其他參數都一樣。模組內部 IGBT 採用 35A 的 H5，可支援開關頻率到 40 kHz，輸出功率 8 kW 左右。

圖 9 FS3L35R07W2H5 Vienna 模組

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，最高可支援開關頻率 80kHz，其內部框圖見圖 11。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，可用于單相的 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演算法層面，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