英飞凌热泵的结构以及谐波电流解决方案
热泵简介
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。
热泵的结构以及谐波电流法规
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3 kw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。
图2 热泵室外机电路结构框图
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。
图3 输入谐波电流法规和分类
3
英飞凌的产品解决方案
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。
3.1 当输入相电流有效值大于16a时（模块方案）
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。
图4 igbt pim模块及被动式pfc电路框图
（相电流>16a）
图 5 easy封装和econo封装igbt7
pim模块可选电流范围
3.2 当输入相电流有效值小于等于16a时（模块方案）
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。
图6 采用被动式pfc的热泵电路框图
（相电流≤16a）
图7 采用三电平vienna主动式apfc的
热泵电路框图
图8 采用三相b6主动式apfc的
热泵电路框图
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40 khz，输出功率8 kw左右。
图9 fs3l35r07w2h5 vienna模块
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8 kw，最高效率达到98.1%。
图10 sic mosfet ipm im828
3.3 当输入相电流有效值小于等于16a时（单管igbt方案）
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。
图11 h7与其他系列igbt的损耗对比
图12 h7系列单管igbt型号与封装
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。
小结
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。
表1 英飞凌三相热泵解决方案概要
在高速电路设计中候PCB布线的损耗解决方案
如何使用Arduino构建餐厅智能点餐系统
加密货币交易机器人日益流行的原因是什么？
华为尧权：助力运营商从能源消费者到能源消费者、生产者和使能者
机智云开发者中心迁移变化
英飞凌热泵的结构以及谐波电流解决方案
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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。
热泵的结构以及谐波电流法规
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3 kw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。
图2 热泵室外机电路结构框图
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。
图3 输入谐波电流法规和分类
3
英飞凌的产品解决方案
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。
3.1 当输入相电流有效值大于16a时（模块方案）
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。
图4 igbt pim模块及被动式pfc电路框图
（相电流>16a）
图 5 easy封装和econo封装igbt7
pim模块可选电流范围
3.2 当输入相电流有效值小于等于16a时（模块方案）
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。
图6 采用被动式pfc的热泵电路框图
（相电流≤16a）
图7 采用三电平vienna主动式apfc的
热泵电路框图
图8 采用三相b6主动式apfc的
热泵电路框图
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40 khz，输出功率8 kw左右。
图9 fs3l35r07w2h5 vienna模块
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8 kw，最高效率达到98.1%。
图10 sic mosfet ipm im828
3.3 当输入相电流有效值小于等于16a时（单管igbt方案）
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。
图11 h7与其他系列igbt的损耗对比
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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。
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