热泵及其谐波电流解决方案

热泵，英文 heat pump，它有 2 个定义，定义 1：从低温热源吸热送往高温热源的循环设备。定义 2：以消耗一部分高品位能源 (机械能、电能或高温热能) 为补偿，使热能从低温热源向高温热源传递的装置。所以，热泵广泛用于冬天取暖，产生热水，工业烘干，温室养殖等。

简单讲，热泵就是一个能量的搬运工，对于用户而言，花了一份电费，获得了四份甚至更多的热量，这多出来的热量，就来源于大自然，根据热源的不同，热泵分为空气源热泵，水源热泵，地热源热泵等。所以，热泵的能效天然就是大于 1 的，只赚不赔……

说了这么多，热泵究竟长啥样呢，图 1 来自于美的集团空气源热泵的一份产品手册，是不是和常见的空调外机非常像，对的，从其内部硬件来看，它确实和空调外机没什么区别，只是空调采用的是卡诺循环原理，把热量从室内搬运到室外，而热泵采用的是逆卡诺循环原理，把热量从室外搬运到室内。一正一反，不得不感叹科学的神奇。

热泵按照交流输入电源可以分为单相热泵和三相热泵，其输出电功率可覆盖 3kW 到几十千瓦。如图 2 所示，热泵的室外机，主要由三部分构成，包含 PFC、压缩机逆变器和风机逆变器。

估计眼尖的读者已经注意到了，无论是单相热泵，还是三相热泵，都包含了 PFC 这一功率环节。没错，对于用电设备产生的谐波电流，全球各国以及地区都制定了明确的法规，热泵产品只有满足了谐波电流法规要求，才能在所在国家和地区进行销售，PFC 也就是功率因素校正，则可以有效改善用电设备的输入谐波电流并提高其功率因素。

根据用电设备的输入相电流大小，可以把用电设备分为两大类，适用不同的法规进行谐波电流的市场准入管理。如图 3，以输入相电流有效值等于 16A 为界，当用电设备的输入相电流有效值小于或者等于 16A 时，适用 IEC 61000-3-2，对应的国标就是 GB17625.1，这也是广大工程师最熟悉的；当用电设备的输入相电流有效值大于 16A 时，则适用 IEC 61000-3-12。这两个主要的谐波电流法规最近有更新，但内容主体基本不变。最新的 IEC 61000-3-2: 2019+A1-2021，将于 2024 年 4 月 9 日起执行；国标 GB17625.1-2022，将于 2024 年 7 月 1 日起执行。

这里需要敲黑板的是，是以输入相电流有效值，而不是根据单相输入还是三相输入，来决定究竟适用哪个法规。确定好适用的法规后，再根据对应的细分类别去查看具体的谐波电流限值要求。

正如前面所讲到，无论是单相热泵还是三相热泵，都需要 PFC，逆变器和对应的驱动 IC，控制器 IC，作为业内知名半导体厂商，英飞凌当然可以提供一站式解决方案。

以三相热泵为例，对于输入相电流有效值大于 16A 的热泵产品，因为谐波电流标准相对比较宽松，所以，采用被动式 PFC，也就是通过在直流母线上串联直流电抗器，与母线电解电容一起构成 LC 滤波器的方式，即可满足谐波电流限值的要求，因此，PIM 模块就成了当仁不让的最佳选择，如图 4，PIM 模块将三相整流桥，制动桥臂和三相逆变桥全部集成到了一个模块中，充分满足了客户 PCBA 小型化的需求。根据逆变 IGBT 电流的不同，英飞凌提供了 EASY 和 Econo 两个大类封装的多款 PIM 模块，如图 5，工程师朋友们可以灵活选择。

对于输入相电流有效值小于或者等于 16A 的三相热泵产品，目前市场上被动式 PFC 和主动式 APFC 的方案并存，如图 6，图 7，图 8。图 6 是被动式 PFC 方案，可以选用 25A 的 PIM 模块，在整流桥之前加入三相交流电抗器，这种方式简单易操作，当然，缺点也很明显，为了满足谐波电流限值的要求，在单个交流电抗器上的压降可达到输入相电压的 2%-4%，所以，交流电抗器感值大，效率低，个头重，不能安装在 PCB 板上，只能安装到机壳内壁，然后通过导线连接到 PCB 板上，导致生产线装配成本也上去了。

通常，只有提高开关频率，才能有效减小磁性器件的体积，所以，既能满足谐波电流法规，又高效，还能把电感或者电抗器安装到 PCB 板上的有源 PFC 方案就成了最优选择，如图 7，图 8，三电平 Vienna 整流器和三相 B6 的 APFC 方案，均可满足谐波电流限值和板载 PFC 电感的要求。

对于三电平 Vienna 整流器，英飞凌有 EASY2B 封装的 FS3L35R07W2H5_C56 和 FS3L35R07W2H5_C40 两个模块可选，封装如图 9，两个模块的区别是 C56 是焊接版本，C40 是压接版本，其他参数都一样。模块内部 IGBT 采用 35A 的 H5，可支持开关频率到 40kHz，输出功率 8kW 左右。

对于三相 B6 的有源 PFC 方案，英飞凌则提供了高集成度的 1200V SiC MOSFET IPM 方案，IM828-XCC，最高可支持开关频率 80kHz，其内部框图见图 11。目前已经有客户采用 IM828-XCC 做三相 B6 PFC，开关频率 36kHz，输出功率 8kw，最高效率达到 98.1%。

如果基于成本考虑，也可以采用单管去搭建三相 B6 APFC，因为 B6 是两电平的拓扑，每个开关直接承受全部的母线电压应力，所以，如果采用常规的 IGBT，通常开关频率只能设置为 10kHz 左右，这样导致三相 PFC 的电感感值还是偏大，个头重，放置在 PCB 板上还是挑战颇大，因此，如果有一款 IGBT 的单管，既能满足比较高的开关频率，成本还有竞争力，那就相当有吸引力了。

英飞凌的 1200V H7 系列 IGBT 单管，则是这样一款优秀的产品，见图 12，相比此前的多个系列的 IGBT，其总损耗下降了 40%~50%，所以，如果保持输出电流不变，H7 系列单管 IGBT 的开关频率则可提升一倍，或者，通过选择更大额定电流等级的 CH7 单管 IGBT，把开关频率进一步提升，见图 13，单个 IGBT 的电流已经可以达到 140A，也就意味着即使不用单管并联的方式，也可以输出非常高的功率。

当然，英飞凌也同步推出了 650V 的 H7 系列单管 IGBT，可用于单相的 Boost PFC 和交错式 PFC，详情请登录英飞凌官网查看。

对于热泵应用中的输入谐波电流，无论是采用被动式 PFC 还是主动式 APFC，英飞凌均有丰富的产品系列，简要概括见表 1。被动式 PFC 的优点是简单易操作，缺点也很明显，更换输入电压或者功率后，电抗器就得重新去试凑匹配，不然某次谐波就会像打地鼠一样超标冒出来；主动式 APFC 则没有这个烦恼，主要的难度在于软件控制算法层面，需要投入大量的研发资源去开发。长远来看，随着谐波电流法规的趋严以及终端客户的更高要求，采用主动式 APFC 是一个必然趋势。

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