GaN 基 PFC 提高 HVAC 热泵效率

接线图 2024年04月15日 13:00 942 admin

供暖、通风和空调 (HVAC) 系统提供舒适的室内生活和工作条件。热泵使用低沸点制冷剂以及压缩和膨胀相变循环，通过与环境空气进行热交换来加热或冷却室内空气。热泵比锅炉效率高得多。国际能源署（IEA）估计，到2030年，全球热泵有潜力将全球二氧化碳（CO 2）排放量减少至少5亿吨，相当于每年的CO 2排放量。当今欧洲所有汽车的排放量。两种常见类型的热泵包括空气-空气热泵，由于水的热容量增加，空气-空气热泵虽然更便宜，但效率低于替代空气-水系统。2022 年，全球热泵销量增长超过 11%。尽管它们目前仅占全球建筑物供暖的 10% 左右，但预测到 2050 年，大部分空间供暖将由这些系统产生。　　图 1 显示了空气-空气热泵热循环的简化框图。通过使用室内和室外盘管以及通过风扇移动的空气来损失和获得热量。压缩机和风扇通常消耗热泵内最大的能量。使用高效变速电子换向电机 (ECM) 和永磁电机等其他创新技术是提高驱动电子设备效率的重要补充。

GaN 基 PFC 提高 HVAC 热泵效率第1张

　　图 1：简化的热泵热循环
　　热泵的电力输送和控制　　让我们更详细地了解热泵的室外阶段。图 2 示意性地显示了所需的不同电源和控制系统。输入的交流电通过有源 EMI 滤波器和 PFC 级，以高效转换为直流电。生成的 400 V 直流母线电压就是一个例子。

GaN 基 PFC 提高 HVAC 热泵效率第2张

　　然后，DC/DC 降压转换器可用于生成用于控制应用的较低电压。控制器负责生成压缩机和风扇驱动器（可以是基于 Si IGBT 或 WBG 半导体的）所需的脉宽调制 (PWM) 驱动信号。感测和保护监控可以包括例如直流链路电流感测和故障条件下的相关电源切断电路。
　　GaN基PFC
　　TI 展示了可用于热泵室外机的基于 GaN 的 PFC 级参考设计。图 2 显示了框图原理图。该 4kW 连续导通模式 (CCM) 图腾柱 PFC 使用与 TMS320F280025C 数字控制器集成的顶部冷却 GaN 子板，如图 3 所示。
GaN 基 PFC 提高 HVAC 热泵效率第3张　　图 3：基于 4kW GaN 图腾柱的 PFC 参考设计框图（德州仪器）
　　部分 PFC 规格如下：
　　输入电压 200 -277 VAC
　　输入电流最大20 A RMS
　　输出电压 400 伏直流
　　输出电流最大 10 A
　　200 VAC 时额定功率 4kW
　　230 VAC、4kW 输出时的电流总谐波失真 (THD) <= 2%
　　图腾柱设计由两个用于快速开关的 GaN LMG3522R030-Q1 芯片组成。LMG3522R030-Q1 包括标称通态电阻 (R DSON ) 为 30 mOhm 的 650 V d 模式 GaN HEMT，该器件与包含许多控制和保护功能的硅基直接驱动电路集成。可调节栅极驱动强度可实现 20 V/ns 至 150 V/ns 的压摆率控制。可调转换速率可用于控制 EMI 和开关性能。图腾柱的慢速开关腿使用二极管电桥。使用 480 ?H 的 PFC 升压电感器。
　　UCC28710 器件是一款反激式电源控制器，可提供隔离式恒压和恒流输出调节。它用于从 400 V 直流总线电压提供隔离的 15 V 偏置。采用反激拓扑的 TPS54308 同步降压转换器采用小型 SOT-23 封装，具有 3 A 驱动能力，然后用于获取该 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。使用单独的滤波器板来实现不同滤波器的 EMI 和 EMC 性能。
　　该参考设计中集成的一些保护措施包括：
　　开机时的浪涌电流保护：50 欧姆正温度系数 (PTC) 电阻器和继电器共同限制浪涌电流。
　　过流保护：包括三种不同的过流保护。MCU 使用比较器通过软件控制的 40A 触发提供逐周期保护。GaN 芯片具有 70A 生成的漏极过流保护故障信号。此外，还会监控交流输入电流，如果电流高于 26 A RMS ，软件会停止 PFC 。GaN 芯片具有短路保护功能，当其漏极电流 di/dt 超过特定阈值时会触发短路保护，关断响应 < 100 ns。
　　欠压锁定 (UVLO)：交流欠压触发，在软件中设置为 170 VAC。LMG3522R030-Q1 的 VDD 电源有自己的 UVLO 限制。
　　温度监控和保护：LMG3522R030 将其温度报告为可变占空比 PWM 输出，MCU 可使用该输出来确定芯片温度。在此设计中，GaN 芯片的过温限制设置为 125°C。GaN 子卡散热器的温度还通过负温度系数 (NTC) 热敏电阻进行监控，并设置为在超过 80°C 时触发和停止 PFC。
　　过压和浪涌保护：MCU 比较器在 440 VDC 时触发过压直流总线电压切断。GaN 芯片本身额定可在硬开关时承受 720 V 浪涌电压。
　　该参考设计针对 230 VAC 输入的效率曲线如图 4 所示。该曲线不包括控制和驱动功率损耗。对于超过 1 kW 的输入功率，效率可达到 98% 以上。在功率高于 1.5 kW 时，功率因数超过 0.99，在输出功率为 4 kW 时，THD 为 2%。
　　使用 25°C 环境温度和 27 CFM 冷却风扇进行的热测试显示，升压电感器温升约为 45°C。从 GaN 芯片信号转换而来的报告温度也一致，读数约为 67°C。EMI测试表明该板可以通过EN55032的B类限制。
　 GaN 基 PFC 提高 HVAC 热泵效率第4张　　图 4：GaN PFC 参考设计在 230 VAC 条件下的效率曲线（德州仪器）
　　结论
　　热泵可以成为应对气候变化的脱碳努力的重要组成部分。与传统化石燃料锅炉和熔炉相比，效率的提高、鼓励其在住宅和商业建筑中使用的不断发展的法规，以及降低系统成本和提高性能的趋势，都为它们的更广泛采用创造了动力。GaN 等宽带隙半导体有助于提高这些系统内的功率转换效率。