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Une pompe à chaleur est un moyen éprouvé de fournir un chauffage efficace et respectueux de l’environnement. Elle incarne la force motrice de la tendance mondiale vers le chauffage durable et fonctionne à l’électricité, peu polluante. L’efficacité énergétique est un facteur clé dans l’évaluation des pompes à chaleur par rapport aux chaudières conventionnelles et à l’hydrogène à faibles émissions, parmi d’autres systèmes renouvelables et conventionnels.

En adoptant les pompes à chaleur, l’Union européenne (UE) pourrait réduire considérablement sa consommation de gaz naturel à des fins de chauffage. Cette conversion pourrait également être facilitée par la très forte augmentation du prix du gaz due au conflit actuel entre la Russie et l’Ukraine. Le taux de croissance des ventes mondiales de pompes à chaleur en 2021 était supérieur à 15 %, soit deux fois le taux observé au cours de la décennie précédente. Les ventes au sein de l’UE ont augmenté de 35 %, facteur majeur de cette expansion.

Avec un taux de croissance annuel composé (CAGR) prévu de 9,5 % entre 2021 et 2026, le marché mondial des pompes à chaleur devrait passer d’un chiffre d’affaires initial de 53,2 milliards de dollars en 2021 à 83,5 milliards de dollars en 2026. Avec une augmentation significative de 335 % par rapport à 2021, le nombre prévu d’installations de pompes à chaleur dans l’UE devrait atteindre plus de 6,7 millions en 2030. Selon un rapport de l’EIA, il y aura environ 600 millions d’installations de pompes à chaleur dans le monde d’ici 2030, contre 180 millions en 2020.

L’importance des modules de puissance pour améliorer l’efficacité des pompes à chaleur

Les pompes à chaleur sont des technologies multifonctionnelles et économes en énergie, utilisées à la fois pour le refroidissement et le chauffage. Une pompe à chaleur peut modifier le sens du flux de réfrigérant grâce à une vanne d’inversion, ce qui lui permet de chauffer ou de refroidir une maison. Le processus implique le passage de l’air à travers un serpentin d’évaporation, facilitant le transfert de l’énergie thermique entre l’air et le réfrigérant. L’énergie thermique circule dans le réfrigérant et est ensuite libérée en passant par un serpentin de condensation sur lequel un ventilateur souffle. Au cours de ce processus, l’énergie thermique est transférée d’un endroit à un autre, comme le montre la Figure 1 ci-dessous. Les semi-conducteurs de puissance dotés de capacités de commande de moteur efficaces sont très demandés, dans la mesure où nous nous dirigeons vers un avenir sans émissions de carbone. Il est essentiel de réduire la taille et le coût global du système tout en augmentant son efficacité.

Figure 1 : Fonctionnement des pompes à chaleur

La mise en œuvre de nouvelles réglementations en matière d’efficacité énergétique pour les compresseurs et les pompes nécessite l’incorporation de moteurs à commande électronique, ce qui pose des défis supplémentaires aux concepteurs d’électronique de puissance. L’utilisation d’un système à onduleur avec un module de puissance intelligent (IPM) dans les refroidisseurs est largement reconnue pour sa capacité à réduire la consommation d’énergie de 30 % par rapport aux systèmes sans onduleur.

Les IPM régulent le flux d’énergie vers le compresseur et les ventilateurs de l’onduleur dans les systèmes de pompes à chaleur, en ajustant avec précision la fréquence et la tension de l’électricité envoyée aux moteurs triphasés (Figure 2). La commande efficace des moteurs contribue à satisfaire des normes d’efficacité énergétique plus exigeantes pour les compresseurs et les pompes. Le choix d’un produit IPM compact et économe en énergie permettra non seulement d’économiser de l’énergie, mais aussi, pour le concepteur, de gagner de l’espace de montage et d’améliorer les performances tout en réduisant le temps de développement. Les IPM de la famille SPM31 d’IGBT 1 200 V d’onsemi, par exemple, constituent une solution idéale pour les applications de pompes à chaleur triphasées.

Figure 2 : Schéma fonctionnel d’une pompe à chaleur triphasée

SPM31 : commande de moteur énergétiquement efficace

Incorporant les dernières technologies IGBT Field Stop 7 (FS7) et diode de 7 e génération, les IPM SPM31 atteignent une efficacité et une robustesse supérieures. Ces deux technologies réduisent considérablement les interférences électromagnétiques (EMI), diminuent les pertes de puissance et augmentent la densité de puissance. Ces modules sont équipés de circuits intégrés à pilote de grille et d’autres fonctions de protection telles que le verrouillage en cas de sous-tension, l’arrêt en cas de surintensité, la surveillance de la température et le signalement des défaillances (Figure 3).

Figure 3 : IPM SPM31 1 200 V dans un système de pompe à chaleur

En outre, les IPM SPM31 sont plus petits (54,5 mm x 31 mm x 5,6 mm) que les solutions de la génération précédente et que d’autres IPM (Figure 4). Les solutions SPM31 permettent d’obtenir une densité de puissance élevée, des performances supérieures et un coût total du système moindre. Grâce à leur robustesse et à leur intégration dans des boîtiers de taille réduite, elles constituent la solution idéale pour gagner de l’espace lors du montage.

Figure 4 : Le boîtier de l’IPM SPM31

Un encombrement réduit et un module de faible puissance d’une fiabilité accrue sont les objectifs de la structure du produit SPM31. Ces objectifs sont atteints grâce à l’utilisation d’une nouvelle technologie IGBT FS7 et d’un substrat amélioré en cuivre à liaison directe (DBC) basé sur un boîtier à moulage par transfert, ainsi que d’un nouveau circuit intégré haute tension (HVIC) à pilote de grille.

Le circuit intégré basse tension (LVIC) pour le pilotage des IGBT du côté bas du SPM31 intègre des capacités de détection de la température afin d’améliorer la fiabilité globale du système. Le LVIC génère un signal analogique directement proportionnel à sa température. Cette tension est utilisée pour surveiller la température du module et mettre en œuvre les mesures de protection nécessaires pour éviter la surchauffe.

Une caractéristique importante du SPM31 est que son HVIC intégré fonctionne de manière efficace afin de convertir les entrées de grille de niveau logique en pilote de grille isolé de niveau différent pour les IGBT du côté haut nécessaires pour faire fonctionner efficacement les IGBT internes du module. Des bornes négatives d’IGBT individuelles sont prévues pour chaque phase, afin de s’adapter à une large gamme de méthodes de commande.

Pour les applications à haute puissance, la dissipation thermique du boîtier est essentielle pour garantir les performances requises. L’aspect crucial de la technologie de boîtier de haute qualité réside dans la capacité d’optimisation de sa taille tout en maintenant d’excellentes propriétés de dissipation thermique sans compromettre le degré d’isolation. Les dispositifs SPM31 utilisent la technologie de substrat DBC, permettant d’obtenir d’excellentes propriétés de dissipation thermique. Cette technologie a permis d’améliorer la fiabilité et la dissipation thermique. Les puces de puissance sont physiquement fixées au substrat DBC (Figure 5).

Figure 5 : Vue en coupe du boîtier SPM31

Conclusion

Les pompes à chaleur devraient être trois fois plus performantes que les chaudières classiques à combustible fossile, ce qui entraînera une multiplication par trois de leur rythme d’installation, qui passera de 1,5 million par mois à environ 5 millions d’ici 2030. La technologie des semi- conducteurs de puissance, telle que la famille d’IPM SPM31 d’onsemi améliorera non seulement l’efficacité des systèmes de pompes à chaleur, mais réduira également la consommation d’énergie et les émissions de carbone.

https://www.onsemi.com/