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EEPW首頁 > 電源與新能源 > 設計應用 > 熱泵及其諧波電流解決方案

熱泵及其諧波電流解決方案

作者:時間:2023-09-27來源:英飛凌收藏

,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,廣泛用于冬天取暖,產生熱水,工業烘干,溫室養殖等。

本文引用地址:http://www.cinargozlemevi.net/article/202309/451023.htm

1 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,熱泵廣泛用于冬天取暖,產生熱水,工業烘干,溫室養殖等。

簡單講,熱泵就是一個能量的搬運工,對于用戶而言,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,就來源于大自然,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于1的,只賺不賠……

說了這么多,熱泵究竟長啥樣呢,圖1來自于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,從其內部硬件來看,它確實和空調外機沒什么區別,只是空調采用的是卡諾循環原理,把熱量從室內搬運到室外,而熱泵采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。

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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,對于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并提高其功率因素。

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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于16A為界,當用電設備的輸入相電流有效值小于或者等于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于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,將于2024年4月9日起執行;國標GB17625.1-2022,將于2024年7月1日起執行。

這里需要敲黑板的是,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。確定好適用的法規后,再根據對應的細分類別去查看具體的諧波電流限值要求。

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圖3 輸入諧波電流法規和分類

3 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,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于16A時(模塊方案)

以三相熱泵為例,對于輸入相電流有效值大于16A的熱泵產品,因為諧波電流標準相對比較寬松,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,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,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。

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圖4  IGBT PIM模塊及被動式PFC電路框圖

(相電流>16A)

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圖 5  EASY封裝和Econo封裝IGBT7 

PIM模塊可選電流范圍

3.2 當輸入相電流有效值小于等于16A時(模塊方案)

對于輸入相電流有效值小于或者等于16A的三相熱泵產品,目前市場上被動式PFC和主動式APFC的方案并存,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,然后通過導線連接到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。

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圖6 采用被動式PFC的熱泵電路框圖

(相電流≤16A)

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圖7 采用三電平Vienna主動式APFC的熱泵電路框圖

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圖8 采用三相B6主動式APFC的熱泵電路框圖

對于三電平Vienna整流器,英飛凌有EASY2B封裝的FS3L35R07W2H5_C56和FS3L35R07W2H5_C40兩個模塊可選,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。

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圖9 FS3L35R07W2H5 Vienna模塊

對于三相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,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%。

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圖10 SiC MOSFET IPM IM828

3.3 當輸入相電流有效值小于等于16A時(單管IGBT方案)

如果基于成本考慮,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并聯的方式,也可以輸出非常高的功率。

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圖11 H7與其他系列IGBT的損耗對比

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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 

對于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后,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,主要的難度在于軟件控制算法層面,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,采用主動式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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原創:伍堂順  來源:英飛凌



關鍵詞: 英飛凌 熱泵

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