Die Rolle intelligenter Power-Module beim umweltfreundlichen Heizen

Eine Wärmepumpe ist eine bewährte Methode für effizientes und umweltfreundliches Heizen. Sie liegt im weltweiten Trend zum nachhaltigen Heizen und wird mit emissionsarmem Strom betrieben. Energieeffizienz ist ein entscheidender Faktor bei der Bewertung von Wärmepumpen im Vergleich zu herkömmlichen Heizkesseln und emissionsarmem Wasserstoff sowie anderen erneuerbaren und konventionellen Gebäudesystemen.

Wärmepumpen sind ein wachstumsstarker Markt

Durch die Umstellung auf Wärmepumpen kann die Europäische Union (EU) ihren Erdgasverbrauch für Heizzwecke drastisch senken. Begünstigt wird dies durch die Tatsache, dass Erdgas aufgrund des anhaltenden Konflikts zwischen Russland und der Ukraine einen immensen Preisanstieg verzeichnet hat. Das weltweite Wachstum bei Wärmepumpen lag 2021 bei über 15 Prozent, was doppelt so hoch ist wie die Wachstumsrate des letzten Jahrzehnts. Der Absatz in der EU stieg um erstaunliche 35 Prozent, was ein wichtiger Faktor für diese Expansion war.

Mit einem prognostizierten durchschnittlichen jährlichen Wachstum (CAGR) von 9,5 Prozent von 2021 bis 2026 wird der weltweite Markt für Wärmepumpen voraussichtlich von einem Umsatz von 53,2 Milliarden US-Dollar im Jahr 2021 auf 83,5 Milliarden US-Dollar im Jahr 2026 steigen. Mit einem deutlichen Anstieg von 335 Prozent ab 2021 wird die erwartete Anzahl der Wärmepumpeninstallationen in der EU im Jahr 2030 voraussichtlich über 6,7 Millionen Einheiten erreichen. Laut einem Bericht der EIA (US Energy Information Administration) sollen bis 2030 weltweit etwa 600 Millionen Wärmepumpen installiert werden, gegenüber 180 Millionen im Jahr 2020.

Wärmepumpen sind multifunktionale und energieeffiziente Systeme, die zum Kühlen als auch zum Heizen eingesetzt werden. Eine Wärmepumpe ändert die Richtung des Kältemittelflusses über ein Umschaltventil, sodass sich ein Haus heizen oder kühlen lässt. Der Prozess umfasst den Durchgang von Luft durch eine Verdampferschlange, was die Übertragung von Wärmeenergie von der Luft auf das Kältemittel erleichtert. Die Wärmeenergie wird im Kältemittel zirkuliert und dann über eine Kondensatorschlange abgegeben, während ein Ventilator Luft über die Schlange bläst. Dabei wird die Wärmeenergie von einem Ort zum anderen transportiert (Bild 1). Leistungshalbleiter mit effizienten Motorsteuerungsfunktionen sind dabei gefragt, da wir auf eine Zukunft ohne CO₂-Emissionen hinarbeiten. Auch kleinere Systeme, geringere Kosten und ein höherer Wirkungsgrad fließen in dieses Vorhaben mit ein.

Neue Energieeffizienzvorschriften für Kompressoren und Pumpen erfordern elektronisch gesteuerte Motoren, was für Entwickler von Leistungselektronik zusätzliche Herausforderungen mit sich bringt. IPM-basierte (Intelligent Power Module) Inverter in Kühlern sind allgemein anerkannt, da sie den Stromverbrauch im Vergleich zu Systemen ohne Inverter um 30 Prozent senken.

IPMs regeln den Stromfluss zum Inverterkompressor und zu den Lüftern in Wärmepumpen, indem sie die Frequenz und Spannung des an die Drehstrommotoren gelieferten Stroms genau anpassen (Bild 2). Die effiziente Steuerung von Motoren trägt dazu bei, höhere Energieeffizienzstandards für Kompressoren und Pumpen zu erreichen. Die Auswahl eines energieeffizienten und kompakten IPMs spart dabei Energie und ermöglicht Entwicklern, Platz bei der Montage einzusparen und die Leistungsfähigkeit zu verbessern, während die Entwicklungszeit verkürzt wird. IPMs wie die 1200V-IGBTs der Serie SPM31 von Onsemi sind eine solche Lösung für 3-phasige Wärmepumpensysteme.

Durch den Einsatz des neuesten FS7-IGBT (Field Stop 7) und Dioden der 7. Generation erzielen die SPM31-IPMs hohe Effizienz und Robustheit. Beide Technologien reduzieren elektromagnetische Interferenzen (EMI) erheblich, verringern Leistungsverluste und erhöhen die Leistungsdichte. Die Module sind mit integrierten Gate-Treiber-ICs und anderen Schutzfunktionen wie Abschaltung bei Unterspannung/Überstrom, Temperaturüberwachung und Fehlerberichterstattung ausgestattet (Bild 3).

Darüber hinaus sind die SPM31-IPMs kleiner als Lösungen der vorherigen Generation und andere IPMs (54,5 mm × 31 mm × 5,6 mm) (Bild 4). SPM31 ermöglicht eine hohe Leistungsdichte, mehr Leistungsfähigkeit und geringere Gesamtsystemkosten. Aufgrund ihrer Robustheit in kleineren Gehäusen sind sie eine gute Lösung, um Platz bei der Montage zu sparen.

Weniger Platzbedarf, geringerer Stromverbrauch und hohe Zuverlässigkeit sind die Ziele beim Einsatz der SPM31-Module. Möglich wird dies durch die neue FS7-IGBT-Technologie, ein verbessertes DBC-Substrat (Direct Bonded Copper) auf der Basis eines Transfer-Molding-Gehäuses sowie eines neuen Gate-Treibers für integrierte High-Voltage-Schaltkreise (HVIC).

Der Low-Voltage-Schaltkreis (LVIC) für die Ansteuerung der Low-Side-IGBTs im SPM31 verfügt über Temperaturmessfunktionen, um die Zuverlässigkeit des Systems insgesamt zu verbessern. Der LVIC erzeugt ein Analogsignal, das direkt proportional zu seiner Temperatur ist. Diese Spannung wird zur Überwachung der Modultemperatur und für die erforderlichen Schutzmaßnahmen verwendet, um eine Überhitzung zu verhindern.

Ein weiteres Merkmal des SPM31 ist, dass sein integrierter HVIC effizient arbeitet, um die Logikpegel-Gate-Eingänge in isolierte Gate-Treiber unterschiedlicher Pegel für High-Side-IGBTs umzuwandeln. Dies ist für den effektiven Betrieb der internen IGBTs des Moduls erforderlich. Für jede Phase sind einzelne negative IGBT-Anschlüsse vorhanden, um eine Vielzahl von Steuerungsmethoden zu ermöglichen.

Bei Hochleistungsanwendungen ist die Wärmeableitung des Gehäuses entscheidend, um die erforderliche Leistungsfähigkeit zu garantieren. Ein hochwertiges Gehäuse optimiert die Baugröße und Wärmeableitung, ohne die Isolation zu beeinträchtigen. SPM31 basiert auf DBC-Substrat, das optimale Wärmeableitung garantiert. Die Power-Module sind physisch auf dem Substrat befestigt (Bild 5). (na)