許多國家/地區(qū)都普遍使用燃氣和燃油鍋爐以及熔爐來為住宅和商業(yè)室內空間提供空間和水加熱?？梢蕴娲@些基于化石燃料的系統(tǒng)的電熱泵被視為空間和水加熱應用中脫碳的關鍵要素。在本文中，我們將總結一個可用于為熱泵供電的功率校正因子 (PFC) 級參考設計示例。德州儀器 (TI) 的這個參考設計使用基于氮化鎵 (GaN) 的 PFC來提高功率轉換效率，并提供了一個如何使用寬帶隙 (WBG) 半導體的示例例如碳化硅(SiC)和GaN可以進一步激勵日常能源需求的電氣化。

熱泵

供暖、通風和空調 (HVAC) 系統(tǒng)提供舒適的室內生活和工作條件。熱泵使用低沸點制冷劑以及壓縮和膨脹相變循環(huán)，通過與周圍空氣進行熱交換來加熱或冷卻室內空氣。熱泵比鍋爐效率高得多。國際能源署(IEA)估計，到 2030 年，全球熱泵有可能將全球二氧化碳 (CO 2 ) 排放量減少至少 5 億噸，相當于每年的 CO 2當今歐洲所有汽車的排放量。兩種常見的熱泵類型包括空氣-空氣，雖然價格便宜，但由于水的熱容量增加，效率不如替代的空氣-水系統(tǒng)。2022 年全球熱泵銷量增長超過 11%。盡管它們目前僅占全球建筑物供暖的 10% 左右，但預測到 2050 年，這些系統(tǒng)將產生大部分空間供暖。

圖 1 顯示了空氣-空氣熱泵熱循環(huán)的簡化框圖。熱量的損失和增加是通過室內和室外盤管以及風扇移動的空氣實現(xiàn)的。壓縮機和風扇通常是熱泵中消耗能量最多的部件。高效變速電子換向電機 (ECM) 和永磁電機等其他創(chuàng)新技術是驅動電子效率改進的重要補充。

圖 1：簡化的熱泵熱循環(huán)

熱泵的電力輸送和控制

讓我們更詳細地了解一下熱泵的室外階段。圖 2 以示意圖的形式顯示了所需的不同電源和控制系統(tǒng)。輸入的交流電通過有源 EMI 濾波器和 PFC 階段，以高效轉換為直流電。例如，產生的直流鏈路電壓為 400 V。

圖 2：顯示熱泵中的室外冷凝器單元功率輸送和控制

然后，可以使用 DC/DC 降壓轉換器來生成用于控制應用的較低電壓?？刂破髫撠煘閴嚎s機和風扇驅動器(可以是 Si IGBT 或 WBG 半導體)生成所需的脈沖寬度調制 (PWM) 驅動信號。感測和保護監(jiān)控可以包括 DC 鏈路電流感測和故障條件下的相關電源切斷電路等。

GaN基PFC

TI 已展示了可用于熱泵室外機的基于 GaN 的 PFC 級的參考設計。圖 2 顯示了框圖原理圖。此 4kW 連續(xù)傳導模式 (CCM) 圖騰柱 PFC 使用頂部冷卻的 GaN 子板，該子板與 TMS320F280025C 數(shù)字控制器集成在一起，如圖 3 所示。

圖 3：基于 4kW GaN 圖騰柱的 PFC 參考設計框圖

一些 PFC 規(guī)格如下：

· 輸入電壓 200 -277 VAC

· 輸入電流最大20 A RMS

· 輸出電壓 400VDC

· 輸出電流 最大 10 A

· 額定功率 4kW(200 VAC)

· 230 VAC、4kW 輸出時的電流總諧波失真 (THD) 為 <= 2%

圖騰柱設計由兩個用于快速開關的 GaN LMG3522R030-Q1 芯片組成。LMG3522R030-Q1 包括一個 650 V d 模式 GaN HEMT，其標稱導通電阻 (R DSON ) 為 30 mOhms，并集成了包含許多控制和保護功能的 Si 基直接驅動電路。可調柵極驅動強度允許從 20 V/ns 到 150 V/ns 的斜率控制?？烧{斜率可用于控制 EMI 和開關性能。圖騰柱的慢速開關支路使用二極管橋。使用 480 μH 的 PFC 升壓電感器。

UCC28710 器件是一款反激式電源控制器，可提供隔離式恒壓和恒流輸出調節(jié)。它用于從 400 V 直流總線電壓提供隔離式 15 V 偏置。反激式拓撲中的 TPS54308 同步降壓轉換器采用小型 SOT-23 封裝，具有 3 A 驅動能力，用于獲取此 15 V 偏置并驅動高側 GaN，參考兩個 GaN 芯片之間的開關節(jié)點。TMS320F280025C 控制板基于 C2000? 32 位 MCU。使用單獨的濾波板，通過不同的濾波器實現(xiàn) EMI 和 EMC 性能。

此參考設計中集成的一些保護功能包括：

· 開機時的浪涌電流保護：50 歐姆正溫度系數(shù) (PTC) 電阻器和繼電器共同限制浪涌電流。

· 過流保護：包括三種不同的過流保護。MCU 使用比較器提供逐周期保護，并在 40 A 時使用軟件控制觸發(fā)器。GaN 芯片具有在 70A 時產生的漏極過流保護故障信號。此外，還監(jiān)控交流輸入電流，如果該電流超過 26 A RMS，軟件將停止 PFC。GaN 芯片具有短路保護功能，當其漏極電流 di/dt 超過某個閾值時觸發(fā)，關斷響應小于 100 ns。

· 欠壓鎖定 (UVLO)：交流欠壓觸發(fā)器，在軟件中設置為 170 VAC。LMG3522R030-Q1 對其 VDD 電源有自己的 UVLO 限制。

· 溫度監(jiān)控和保護：LMG3522R030 將其溫度報告為可變占空比 PWM 輸出，MCU 可利用該輸出確定芯片溫度。在此設計中，GaN 芯片的過溫限制設置為 125°C。GaN 子卡散熱器的溫度也通過負溫度系數(shù) (NTC) 熱敏電阻進行監(jiān)控，并設置為在溫度超過 80°C 時觸發(fā)和停止 PFC。

· 過壓和浪涌保護：MCU 比較器在 440 VDC 時觸發(fā)過壓直流總線電壓關斷。GaN 芯片本身額定在硬切換時可承受 720 V 浪涌。

圖 4 顯示了此參考設計在 230 VAC 輸入下的效率曲線。該曲線不包括控制和驅動功率損耗。對于 1 kW 以上的輸入功率，可實現(xiàn)超過 98% 的效率。在 1.5 kW 以上的功率下，功率因數(shù)超過 0.99，在 4 kW 的輸出功率水平下，THD 為 2%。

使用 25°C 環(huán)境溫度和 27 CFM 冷卻風扇進行的熱測試顯示升壓電感器溫升約為 45°C。從 GaN 芯片信號轉換而來的報告溫度也一致，讀數(shù)約為 67°C。EMI 測試表明，該電路板可以通過 EN55032 的 B 類限制。

圖 4：GaN PFC 參考設計在 230 VAC 下的效率曲線

結論

熱泵是應對氣候變化的脫碳努力的重要組成部分。與傳統(tǒng)的基于化石燃料的鍋爐和熔爐相比，熱泵的效率更高，不斷演變的法規(guī)鼓勵其在住宅和商業(yè)建筑中使用，以及降低系統(tǒng)成本和提高性能的趨勢，這些都為熱泵的廣泛采用提供了動力。GaN 等寬帶隙半導體有助于提高這些系統(tǒng)中的功率轉換效率。