基于 GaN 的 PFC可以提高 HVAC 热泵效率

[导读]许多国家/地区都普遍使用燃气和燃油锅炉以及熔炉来为住宅和商业室内空间提供空间和水加热。可以替代这些基于化石燃料的系统的电热泵被视为空间和水加热应用中脱碳的关键要素。在本文中，我们将总结一个可用于为热泵供电的功率校正因子 (PFC) 级参考设计示例。德州仪器 (TI) 的这个参考设计使用基于氮化镓 (GaN) 的 PFC来提高功率转换效率，并提供了一个如何使用宽带隙 (WBG) 半导体的示例例如碳化硅(SiC)和GaN可以进一步激励日常能源需求的电气化。

许多国家/地区都普遍使用燃气和燃油锅炉以及熔炉来为住宅和商业室内空间提供空间和水加热。可以替代这些基于化石燃料的系统的电热泵被视为空间和水加热应用中脱碳的关键要素。在本文中，我们将总结一个可用于为热泵供电的功率校正因子 (PFC) 级参考设计示例。德州仪器 (TI) 的这个参考设计使用基于氮化镓 (GaN) 的 PFC来提高功率转换效率，并提供了一个如何使用宽带隙 (WBG) 半导体的示例例如碳化硅(SiC)和GaN可以进一步激励日常能源需求的电气化。

热泵

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，通过与周围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，全球热泵有可能将全球二氧化碳 (CO 2 ) 排放量减少至少 5 亿吨，相当于每年的 CO 2当今欧洲所有汽车的排放量。两种常见的热泵类型包括空气-空气，虽然价格便宜，但由于水的热容量增加，效率不如替代的空气-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，这些系统将产生大部分空间供暖。

图 1 显示了空气-空气热泵热循环的简化框图。热量的损失和增加是通过室内和室外盘管以及风扇移动的空气实现的。压缩机和风扇通常是热泵中消耗能量最多的部件。高效变速电子换向电机 (ECM) 和永磁电机等其他创新技术是驱动电子效率改进的重要补充。

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一下热泵的室外阶段。图 2 以示意图的形式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 阶段，以高效转换为直流电。例如，产生的直流链路电压为 400 V。

图 2：显示热泵中的室外冷凝器单元功率输送和控制

然后，可以使用 DC/DC 降压转换器来生成用于控制应用的较低电压。控制器负责为压缩机和风扇驱动器(可以是 Si IGBT 或 WBG 半导体)生成所需的脉冲宽度调制 (PWM) 驱动信号。感测和保护监控可以包括 DC 链路电流感测和故障条件下的相关电源切断电路等。

GaN基PFC

TI 已展示了可用于热泵室外机的基于 GaN 的 PFC 级的参考设计。图 2 显示了框图原理图。此 4kW 连续传导模式 (CCM) 图腾柱 PFC 使用顶部冷却的 GaN 子板，该子板与 TMS320F280025C 数字控制器集成在一起，如图 3 所示。

图 3：基于 4kW GaN 图腾柱的 PFC 参考设计框图

一些 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 400VDC

· 输出电流最大 10 A

· 额定功率 4kW(200 VAC)

· 230 VAC、4kW 输出时的电流总谐波失真 (THD) 为 <= 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 包括一个 650 V d 模式 GaN HEMT，其标称导通电阻 (R DSON ) 为 30 mOhms，并集成了包含许多控制和保护功能的 Si 基直接驱动电路。可调栅极驱动强度允许从 20 V/ns 到 150 V/ns 的斜率控制。可调斜率可用于控制 EMI 和开关性能。图腾柱的慢速开关支路使用二极管桥。使用 480 µH 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式 15 V 偏置。反激式拓扑中的 TPS54308 同步降压转换器采用小型 SOT-23 封装，具有 3 A 驱动能力，用于获取此 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。使用单独的滤波板，通过不同的滤波器实现 EMI 和 EMC 性能。

此参考设计中集成的一些保护功能包括：

· 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 使用比较器提供逐周期保护，并在 40 A 时使用软件控制触发器。GaN 芯片具有在 70A 时产生的漏极过流保护故障信号。此外，还监控交流输入电流，如果该电流超过 26 A RMS，软件将停止 PFC。GaN 芯片具有短路保护功能，当其漏极电流 di/dt 超过某个阈值时触发，关断响应小于 100 ns。

· 欠压锁定 (UVLO)：交流欠压触发器，在软件中设置为 170 VAC。LMG3522R030-Q1 对其 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 可利用该输出确定芯片温度。在此设计中，GaN 芯片的过温限制设置为 125°C。GaN 子卡散热器的温度也通过负温度系数 (NTC) 热敏电阻进行监控，并设置为在温度超过 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关断。GaN 芯片本身额定在硬切换时可承受 720 V 浪涌。

图 4 显示了此参考设计在 230 VAC 输入下的效率曲线。该曲线不包括控制和驱动功率损耗。对于 1 kW 以上的输入功率，可实现超过 98% 的效率。在 1.5 kW 以上的功率下，功率因数超过 0.99，在 4 kW 的输出功率水平下，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，该电路板可以通过 EN55032 的 B 类限制。