Pompe di calore: un mercato in crescita.

La pompa di calore rappresenta una soluzione efficace per fornire il riscaldamento in maniera efficiente ed ecologica. Sicuramente uno degli elementi trainanti per raggiungere l’obiettivo di un riscal­damento sostenibile, una pompa di calore funziona a elettricità ed è caratterizzata da basse emissioni di CO₂. L’efficienza energetica è un fattore chiave nel momento in cui si deve valutare una pompa di calore rispetto alle caldaie tradizionali o a idrogeno a basse emissio­ni, alcuni tra gli altri sistemi critici presenti negli edifici (building system) che utilizzano energie convenzionali e rinnovabili.

Con il passaggio alle pompe di calore, l’Unione Europea (EU) po­trebbe ridurre drasticamente l’utilizzo di gas naturale per il ri­scaldamento. Ciò potrebbe essere favorito anche dal fatto che il gas naturale ha subito un notevole aumento di prezzo, a causa del conflitto in corso tra Russia e Ucraina.

Nel 2021, il tasso di crescita delle vendi­te di pompe di calore a livello mondiale è stato superiore al 15%, ovvero il doppio del tasso di crescita registrato nel decennio precedente.

Le vendite nell’UE sono aumentate drasti­camente, in misura pari al 35%, fornendo un notevole contributo all’espansione di questo mercato.

Il mercato mondiale delle pompe di calo­re è destinato a passare dai 53,2 miliardi di dollari del 2021 agli 83,6 miliardi previsti per il 2026, con un incremento medio su base annua del 9,5% nel periodo preso in considerazione. Grazie all’incremento del 35% a partire dal 2021, entro il 2030 è pre­visto che nell’Unione Europea le pompe di calore installate dovrebbero essere pari a circa 6,7 milioni di unità. Secondo un rap­porto di EIA (Agenzia Internazionale dell’E­nergia), a livello mondiale saranno instal­late circa 600 milioni di pompe di calore, contro i 180 milioni di unità del 2020.

Migliorare l’efficienza delle pompe di calore: il ruolo dei moduli di potenza

Le pompe di calore sono soluzioni effi­cienti e multi-funzioni utilizzate sia per il raffreddamento sia per il riscaldamento. Una pompa di calore è in grado di modifi­care la direzione del flusso del refrigerante attraverso una valvola di inversione, con­sentendo in tal modo di riscaldare o raf­freddare un’abitazione. Il processo prevede il passaggio dell’aria attraverso la bobina di un evaporatore, facilitando il trasferimen­to di energia termica dall’aria al refrigeran­te. L’energia termica viene fatta circolare all’interno del refrigerante e successiva­mente rilasciata attraverso la bobina di un condensatore, mentre un ventilatore soffia aria sulla bobina. Durante questo proces­so, l’energia termica viene trasferita da un luogo all’altro, come riportato in figura 1.

Figura 1 – Principio di funzionamento di una pompa di calore.

I semiconduttori di potenza che integra­no funzionalità efficienti per il controllo motore sono molto richiesti nell’ottica di un futuro che preveda l’eliminazione delle emissioni di anidride carbonica. La ridu­zione delle dimensioni e dei costi com­plessivi del sistema, a fronte di un contem­poraneo aumento dell’efficienza, assume un’importanza fondamentale.

A causa dell’introduzione di nuove nor­mative relative all’efficienza energetica di pompe e compressori è richiesta l’integra­zione di motori a controllo elettronico, il che comporta ulteriori oneri per i proget­tisti che operano nel campo dell’elettroni­ca di potenza. L’utilizzo di un inverter con un modulo di potenza intelligente (IPM -Intelligent Power Module) nei raffredda­tori è un metodo ampiamente collaudatoche permette di ridurre del 30% il consu­mo di potenza rispetto ai sistemi che non prevedono il ricorso a un inverter.

I moduli IPM regolano il flusso di potenza del compressore inverter e delle ventole del­le pompe di calore adattando con precisio­ne i valori di frequenza e di tensione dell’e­lettricità inviata ai motori trifase (Figura 2). Un controllo efficiente del motore permette a pompe e compressori di ottenere stan­dard più elevati di efficienza energetica.

Figura 2 – Schema a blocchi di una pompa di calore trifase.

La scelta di un modulo IPM compatto ed efficiente non solo permette di risparmia­re energia, ma consente anche a un pro­gettista di ridurre lo spazio richiesto per il montaggio sulla scheda e migliorare le prestazioni, oltre ad accelerare la fase di sviluppo. Moduli IPM come gli IGBT da 1200 V della serie SPM31 di onsemi rap­presentano la soluzione ideale per pompe di calore trifase.

Moduli SPM31 per un efficiente controllo del motore

Grazie all’integrazione delle più recenti tecnologie – IGBT Field Stop 7 (FS7) e dio­di di 7a generazione – gli IPM della serie SPM31 garantiscono elevate prestazioni e una maggior robustezza. Entrambe le tec­nologie permettono di ridurre in modo si­gnificativo le interferenze elettromagneti­che (EMI), diminuire le perdite di potenza e incrementare la densità di potenza. Que­sti moduli prevedono circuiti integrati per il pilotaggio del gate e numerose funziona­lità di protezione tra cui blocco in presenza di sotto-tensione, shutdown in condizioni di sovracorrenti, monitoraggio della tem­peratura e report dei guasti (Figura 3).

Figura 3 – Utilizzo dei moduli IPM da 1200 V della serie SPM31 in una pompa di calore.

Oltre a ciò, le dimensioni dei moduli IPM della famiglia SPM31 (pari a 54,5×31,5,6 mm)sono inferiori rispetto a quelle dellesoluzioni della generazione precedente e dialtre alternative a questi moduli (Figura 4).

Figura 4 – Il package degli IPM della serie SPM31

L’utilizzo dei moduli SPM31 consente diottenere significativi vantaggi, tra cui ele­vata densità di potenza, migliori prestazio­ni e riduzione del costo totale del sistema.Grazie alla loro robustezza, abbinata alleridotte dimensioni del package, rappresen­tano la soluzione ideale per ridurre lo spa­zio richiesto per l’assemblaggio su scheda.

La struttura degli IPM della serie SPM31è stata concepita per consentire la realiz­zazione di moduli capaci di abbinare in­gombri ridotti, bassi consumi e maggioreaffidabilità. Per conseguire tali obiettivionsemi ha utilizzato i nuovi IGBT FS7 eun substrato DBC (Direct Bonded Copper)migliorato basato su un package realizzato mediante un processo di “transfer moul­ding” (TM, ovvero stampaggio per trasfe­rimento), oltre a un nuovo circuito HVIC (High Voltage IC) per il pilotaggio del gate.

Il circuito integrato a bassa tensione (LVIC -Low Voltage IC) per gli IGBT “low side”che pilotano il modulo SPM31 integra unafunzione per il rilevamento della tempera­tura al fine di migliorare l’affidabilità com­plessiva del sistema. Questo LVIC generaun segnale analogico che è direttamenteproporzionale alla sua temperatura. Que­sta tensione viene utilizzata per monitora­re la temperatura del modulo e implemen­tare le necessarie misure di sicurezza perimpedire il surriscaldamento.

Una caratteristica degna di nota dei mo­duli SPM31, è rappresentato dal fatto chel’HVIC integrato opera in maniera efficien­te al fine di convertire gli ingressi del gatea livello logico (logic-level) in segnali di pi­lotaggio del gate isolati di livello differenteper gli IGBT “high side” che sono necessari per garantire un funzionamento efficiente degli IGBT interni del modulo. Sono previ­sti terminali IGBT negativi singoli per cia­scuna fase per supportare un’ampia gam­ma di metodologie di controllo.

Nel caso di applicazioni ad alta potenza, la dissipazione del calore del package è essenziale per assicurare il livello di pre­stazione richiesto. L’aspetto cruciale della tecnologia del package è la capacità di ot­timizzare le dimensioni del package stesso garantendo eccellenti proprietà di dissi­pazione del calore senza per questo com­promettere il grado di isolamento. I dispo­sitivi SPM31 utilizzano un substrato DBC, contraddistinto da eccellenti proprietà in termini di dissipazione del calore. Come visibile in figura 5, i chip di potenza sono fissati fisicamente al substrato DBC.

Considerazioni conclusive

Poichè si prevede che il numero delle pompe di calore supererà di un fattore pari a tre quello delle caldaie tradizionali a combustibili fossili, il tasso di installazio­ne passerà da 1,5 milioni di unità al mese a circa 5 milioni entro il 2030. L’adozione di innovativi semiconduttori di potenza, come gli IPM della serie SPM31 di onse­mi contribuirà a migliorare non solo l’ef­ficienza delle pompe di calore, ma anche a ridurre il consumo energetico e le emis­sioni di anidride carbonica.

Arnold Lee Application Manager onsemi