供暖、通風(fēng)和空調(diào) (HVAC) 系統(tǒng)提供舒適的室內(nèi)生活和工作條件。熱泵使用低沸點(diǎn)制冷劑以及壓縮和膨脹相變循環(huán)，通過與環(huán)境空氣進(jìn)行熱交換來加熱或冷卻室內(nèi)空氣。熱泵比鍋爐效率高得多。國際能源署（IEA）估計(jì)，到2030年，全球熱泵有潛力將全球二氧化碳（CO 2）排放量減少至少5億噸，相當(dāng)于每年的CO 2排放量。當(dāng)今歐洲所有汽車的排放量。兩種常見類型的熱泵包括空氣-空氣熱泵，由于水的熱容量增加，空氣-空氣熱泵雖然更便宜，但效率低于替代空氣-水系統(tǒng)。2022 年，全球熱泵銷量增長(zhǎng)超過 11%。盡管它們目前僅占全球建筑物供暖的 10% 左右，但預(yù)測(cè)到 2050 年，大部分空間供暖將由這些系統(tǒng)產(chǎn)生?！　D 1 顯示了空氣-空氣熱泵熱循環(huán)的簡(jiǎn)化框圖。通過使用室內(nèi)和室外盤管以及通過風(fēng)扇移動(dòng)的空氣來損失和獲得熱量。壓縮機(jī)和風(fēng)扇通常消耗熱泵內(nèi)最大的能量。使用高效變速電子換向電機(jī) (ECM) 和永磁電機(jī)等其他創(chuàng)新技術(shù)是提高驅(qū)動(dòng)電子設(shè)備效率的重要補(bǔ)充。

　　圖 1：簡(jiǎn)化的熱泵熱循環(huán)
　　熱泵的電力輸送和控制　　讓我們更詳細(xì)地了解熱泵的室外階段。圖 2 示意性地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 級(jí)，以高效轉(zhuǎn)換為直流電。生成的 400 V 直流母線電壓就是一個(gè)例子。

　　然后，DC/DC 降壓轉(zhuǎn)換器可用于生成用于控制應(yīng)用的較低電壓?？刂破髫?fù)責(zé)生成壓縮機(jī)和風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)器（可以是基于 Si IGBT 或 WBG 半導(dǎo)體的）所需的脈寬調(diào)制 (PWM) 驅(qū)動(dòng)信號(hào)。感測(cè)和保護(hù)監(jiān)控可以包括例如直流鏈路電流感測(cè)和故障條件下的相關(guān)電源切斷電路。
　　GaN基PFC
　　TI 展示了可用于熱泵室外機(jī)的基于 GaN 的 PFC 級(jí)參考設(shè)計(jì)。圖 2 顯示了框圖原理圖。該 4kW 連續(xù)導(dǎo)通模式 (CCM) 圖騰柱 PFC 使用與 TMS320F280025C 數(shù)字控制器集成的頂部冷卻 GaN 子板，如圖 3 所示。
　　圖 3：基于 4kW GaN 圖騰柱的 PFC 參考設(shè)計(jì)框圖（德州儀器）
　　部分 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 400 伏直流
　　輸出電流 最大 10 A
　　200 VAC 時(shí)額定功率 4kW
　　230 VAC、4kW 輸出時(shí)的電流總諧波失真 (THD) <= 2%
　　圖騰柱設(shè)計(jì)由兩個(gè)用于快速開關(guān)的 GaN LMG3522R030-Q1 芯片組成。LMG3522R030-Q1 包括標(biāo)稱通態(tài)電阻 (R DSON ) 為 30 mOhm 的 650 V d 模式 GaN HEMT，該器件與包含許多控制和保護(hù)功能的硅基直接驅(qū)動(dòng)電路集成?？烧{(diào)節(jié)柵極驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度可實(shí)現(xiàn) 20 V/ns 至 150 V/ns 的壓擺率控制。可調(diào)轉(zhuǎn)換速率可用于控制 EMI 和開關(guān)性能。圖騰柱的慢速開關(guān)腿使用二極管電橋。使用 480 ?H 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(diào)節(jié)。它用于從 400 V 直流總線電壓提供隔離的 15 V 偏置。采用反激拓?fù)涞?TPS54308 同步降壓轉(zhuǎn)換器采用小型 SOT-23 封裝，具有 3 A 驅(qū)動(dòng)能力，然后用于獲取該 15 V 偏置并驅(qū)動(dòng)高側(cè) GaN，參考兩個(gè) GaN 芯片之間的開關(guān)節(jié)點(diǎn)。TMS320F280025C 控制板基于 C2000? 32 位 MCU。使用單獨(dú)的濾波器板來實(shí)現(xiàn)不同濾波器的 EMI 和 EMC 性能。
　　該參考設(shè)計(jì)中集成的一些保護(hù)措施包括：
　　開機(jī)時(shí)的浪涌電流保護(hù)：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(hù)：包括三種不同的過流保護(hù)。MCU 使用比較器通過軟件控制的 40A 觸發(fā)提供逐周期保護(hù)。GaN 芯片具有 70A 生成的漏極過流保護(hù)故障信號(hào)。此外，還會(huì)監(jiān)控交流輸入電流，如果電流高于 26 A RMS ，軟件會(huì)停止 PFC 。GaN 芯片具有短路保護(hù)功能，當(dāng)其漏極電流 di/dt 超過特定閾值時(shí)會(huì)觸發(fā)短路保護(hù)，關(guān)斷響應(yīng) < 100 ns。
　　欠壓鎖定 (UVLO)：交流欠壓觸發(fā)，在軟件中設(shè)置為 170 VAC。LMG3522R030-Q1 的 VDD 電源有自己的 UVLO 限制。
　　溫度監(jiān)控和保護(hù)：LMG3522R030 將其溫度報(bào)告為可變占空比 PWM 輸出，MCU 可使用該輸出來確定芯片溫度。在此設(shè)計(jì)中，GaN 芯片的過溫限制設(shè)置為 125°C。GaN 子卡散熱器的溫度還通過負(fù)溫度系數(shù) (NTC) 熱敏電阻進(jìn)行監(jiān)控，并設(shè)置為在超過 80°C 時(shí)觸發(fā)和停止 PFC。
　　過壓和浪涌保護(hù)：MCU 比較器在 440 VDC 時(shí)觸發(fā)過壓直流總線電壓切斷。GaN 芯片本身額定可在硬開關(guān)時(shí)承受 720 V 浪涌電壓。
　　該參考設(shè)計(jì)針對(duì) 230 VAC 輸入的效率曲線如圖 4 所示。該曲線不包括控制和驅(qū)動(dòng)功率損耗。對(duì)于超過 1 kW 的輸入功率，效率可達(dá)到 98% 以上。在功率高于 1.5 kW 時(shí)，功率因數(shù)超過 0.99，在輸出功率為 4 kW 時(shí)，THD 為 2%。
　　使用 25°C 環(huán)境溫度和 27 CFM 冷卻風(fēng)扇進(jìn)行的熱測(cè)試顯示，升壓電感器溫升約為 45°C。從 GaN 芯片信號(hào)轉(zhuǎn)換而來的報(bào)告溫度也一致，讀數(shù)約為 67°C。EMI測(cè)試表明該板可以通過EN55032的B類限制。
　　　圖 4：GaN PFC 參考設(shè)計(jì)在 230 VAC 條件下的效率曲線（德州儀器）
　　結(jié)論
　　熱泵可以成為應(yīng)對(duì)氣候變化的脫碳努力的重要組成部分。與傳統(tǒng)化石燃料鍋爐和熔爐相比，效率的提高、鼓勵(lì)其在住宅和商業(yè)建筑中使用的不斷發(fā)展的法規(guī)，以及降低系統(tǒng)成本和提高性能的趨勢(shì)，都為它們的更廣泛采用創(chuàng)造了動(dòng)力。GaN 等寬帶隙半導(dǎo)體有助于提高這些系統(tǒng)內(nèi)的功率轉(zhuǎn)換效率。