GaN 基 PFC 提高 HVAC 热泵效率

　　供暖、通风和空调 (HVAC) 体系供应温馨的室内生存和事情前提。热泵应用低沸点制冷剂以及收缩和膨胀相变轮回，经由过程与环境氛围举行热交换来加热或冷却室内氛围。热泵比汽锅效率高得多。国际动力署（IEA）估量，到2030年，环球热泵有后劲将环球二氧化碳（CO 2）排放量缩小至多5亿吨，相当于每一年的CO 2排放量。现今欧洲所有汽车的排放量。两种罕见范例的热泵包孕氛围-氛围热泵，因为水的热容量增添，氛围-氛围热泵尽管更廉价，但服从低于替换氛围-水体系。2022 年，环球热泵销量增进跨越 11%。虽然它们今朝仅占环球建筑物供暖的 10% 摆布，但预测到 2050 年，大部分空间供暖将由这些体系发生。　　图 1 表现了氛围-氛围热泵热循环的简化框图。经由过程应用室内和室外盘管以及经由过程电扇挪移的氛围来损失和取得热量。压缩机和电扇平日损耗热泵内最大的能量。应用高效变速 换向机电 (ECM) 和永磁机电等其余立异手艺是进步驱动电子设置装备摆设服从的首要增补。

　　图 1：简化的热泵热循环
　　热泵的电力运送和操纵　　让我们更细致地懂得热泵的室外阶段。图 2 表示性地表现了所需的分歧电源和操纵体系。输出的交流电经由过程有源 EMI 滤波器和 PFC 级，以高效转换为直流电。天生的 400 V 直流母线电压便是一个例子。

　　而后，DC/DC 降压转换器可用于天生用于操纵使用的较低电压。控制器担任天生压缩机和电扇驱动器（可所以基于 Si IGBT 或 WBG 半导体的）所需的脉宽调制 (PWM) 驱动旌旗灯号。感测和维护监控能够包孕比方直流链路电流感测和毛病条件下的相干电源堵截电路。
　　GaN基PFC
　　TI 展示了可用于热泵室外机的基于 GaN 的 PFC 级参考设想。图 2 表现了框图原理图。该 4kW 继续导通模式 (CCM) 图腾柱 PFC 应用与 TMS320F280025C 数字控制器集成的顶部冷却 GaN 子板，如图 3 所示。
　　图 3：基于 4kW GaN 图腾柱的 PFC 参考设想框图（德州仪器）
　　部份 PFC 规格以下：
　　输出电压 200 -277 VAC
　　输出电流最大20 A RMS
　　输入电压 400 伏直流
　　输入电流 最大 10 A
　　200 VAC 时额外功率 4kW
　　230 VAC、4kW 输入时的电流总谐波失真 (THD) <= 2%
　　图腾柱设想由两个用于倏地开关的 GaN LMG3522R030-Q1 芯片构成。LMG3522R030-Q1 包孕标称通态电阻 (R DSON ) 为 30 mOhm 的 650 V d 模式 GaN HEMT，该器件与包括许多操纵和维护性能的硅基间接驱动电路集成。可调理栅极驱动强度可完成 20 V/ns 至 150 V/ns 的压摆率操纵。可调转换速度可用于操纵 EMI 和开关功能。图腾柱的慢速开关腿应用电桥。应用 480 ?H 的 PFC 升压电感器。
　　UCC28710 器件是一款反激式电源控制器，可提供断绝式恒压和恒流输入调理。它用于从 400 V 直流总线电压供应断绝的 15 V 偏置。接纳反激拓扑的 TPS54308 同步降压转换器接纳小型 SOT-23 封装，拥有 3 A 驱动才能，而后用于猎取该 15 V 偏置并驱动高侧 GaN，参考两个 GaN 芯片之间的开关节点。TMS320F280025C 控制板基于 C2000? 32 位 MCU。应用独自的滤波器板来完成分歧滤波器的 EMI 和 EMC 功能。
　　该参考设想中集成的一些维护步伐包孕：
　　开机时的浪涌电流维护：50 欧姆正温度系数 (PTC) 和配合限定浪涌电流。
　　过流维护：包孕三种分歧的过流维护。MCU 应用比拟器经由过程软件操纵的 40A 触发供应逐周期维护。GaN 芯片拥有 70A 天生的漏极过流维护毛病旌旗灯号。另外，还会监控交换输出电流，假如电流高于 26 A RMS ，软件会休止 PFC 。GaN 芯片拥有短路维护性能，当其漏极电流 di/dt 跨越特定阈值时会触发短路维护，关断呼应 < 100 ns。
　　欠压锁定 (UVLO)：交换欠压触发，在软件中配置为 170 VAC。LMG3522R030-Q1 的 VDD 电源有本人的 UVLO 限定。
　　温度监控和维护：LMG3522R030 将其温度呈报为可变占空比 PWM 输入，MCU 可应用该输出来肯定芯片温度。在此设想中，GaN 芯片的过温限定配置为 125°C。GaN 子卡散热器的温度还经由过程负温度系数 (NTC) 举行监控，并配置为在跨越 80°C 时触发和休止 PFC。
　　过压和浪涌维护：MCU 比拟器在 440 VDC 时触发过压直流总线电压堵截。GaN 芯片自身额外可在硬开关时经受 720 V 浪涌电压。
　　该参考设想针对 230 VAC 输出的服从曲线如图 4 所示。该曲线不包括操纵和驱动功率消耗。关于跨越 1 kW 的输出功率，服从可达到 98% 以上。在功率高于 1.5 kW 时，功率因数跨越 0.99，在输入功率为 4 kW 时，THD 为 2%。
　　应用 25°C 环境温度和 27 CFM 冷却电扇举行的热测试表现，升压电感器温升约为 45°C。从 GaN 芯片旌旗灯号转换而来的呈报温度也同等，读数约为 67°C。EMI测试注解该板能够经由过程EN55032的B类限定。
　　　图 4：GaN PFC 参考设想在 230 VAC 条件下的服从曲线（德州仪器）
　　论断
　　热泵能够成为应答气象变迁的脱碳起劲的首要构成部份。与传统化石燃料汽锅和熔炉相比，服从的进步、鼓动勉励其在住宅和贸易修筑中应用的不息进展的法例，以及下降体系本钱和进步功能的趋向，都为它们的更普遍接纳制造了能源。GaN 等宽带隙半导体有助于进步这些体系内的功率转换服从。