热泵电力电子设备效率创新高

基于GaN的变换器针对电热热泵进行了优化，Fraunhofer团队在该转换器中实现了99.74%的效率

在Fraunhofer的“电热热泵”（ElKaWe）项目中，研究人员正致力于无需压缩机的新型热泵，未来有望实现更高的效率。

如今的热泵只能达到物理卡诺极限的50%左右，然而理论上，电热热泵可以达到85%。但电热热泵最终效率如何，很大程度上也取决于集成电力电子设备的效率。

在ElKaWe项目中，Fraunhofer应用固体物理研究所IAF负责开发电热热泵的驱动电子设备，并研究基于GaN的器件。

研究人员首次开发并优化了专门针对电热学的电力电子设备。针对基于GaN晶体管的电压变换器，研究人员成功实现了超高效电路拓扑，在电力路径中实现了99.74%的电效率。基于GaN的多级DC/DC变换器设定了全球标准，并远远超过了先前的研究成果，在先前研究成果中，这些新型热泵的电气控制变换效率低于90%。

更高效的电子设备产生更高效的热泵

驱动电子设备的效率显著提高，会直接影响整个系统的性能系数。到目前为止，电热热泵系统受到电子设备损耗等因素的限制。电效率提高直接导致整个热泵系统的性能系数增长，因此提高电效率是提高热泵效率的里程碑。

Fraunhofer IAF电力电子领域研究人员Stefan Mönch说道，“我们的超高效电力电子设备首次实现了远超50%的电热热泵最大理论性能系数，甚至在系统层面也是如此。仍要进行大量研究，但未来这项技术可能会更高效，且可为供暖和制冷提供完全零排放的解决方案。”

ElKaWe项目经理兼Fraunhofer物理测量技术研究所IPM研究人员Kilian Bartholomé补充道，“要想使电热热泵的性能系数高，关键是材料、电子设备和传热方面需具备极高效率。如果能控制这一切，电热学就有巨大的潜力。”

部分研究结果已发表在《IEEE Journal of Emerging and selected Topics in Power Electronics》上。

电热效应

电热热泵背后的原理是电热效应：如果将电压施加到由特殊陶瓷或聚合物制成的电热材料上，该材料就会升温。一旦移除电压，材料就会再次冷却，整个过程几乎完全可逆。由于电热材料会形成电容，因此在系统中，电力电子器件的任务是每秒对电热电容进行几次高效充放电，从而尽可能消除损耗，且在每次循环中泵送热量。

Fraunhofer灯塔项目ElKaWe

所得结果是Fraunhofer灯塔项目ElKaWe的一部分。在该项目中，来自六个Fraunhofer研究所的研究人员正在研究用于加热和冷却的电热热泵。在Fraunhofer IPM的领导下，研究人员正在开发电热热泵，该热泵可使散热效率特别高，且无需压缩机技术和制冷剂。该项目工作的目标是，针对未来高效、无排放的供暖和制冷应用，展示这项技术的潜力。

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