インテリジェントパワーモジュールによるヒートポンプのスマート化について

企業が低炭素の未来に適応するにつれて、より効率的なパワー半導体の需要が高まっています。効率を高めながら、システム全体のコストと設置面積を最小限に抑えることは、パワー半導体ソリューションを開発する際に考慮しなければならない重要な目標です。インテリジェントパワーモジュール（IPM） は、ヒートポンプ市場で大きな注目を集めているソリューションのひとつです。これらのコンパクトで高度に統合されたモジュールは、高い電力密度と高度な制御・監視機能を提供し、ヒートポンプにとって理想的な選択肢となります。

インテリジェントパワーモジュール（IPM）の詳細については、こちらをご覧ください。

ヒートポンプの重要性

以下の ユーロスタットのデータによると、欧州連合（EU）で消費される全エネルギーの約50％が冷暖房に使用され、依然として70％以上が化石燃料（主に天然ガス）によるものです。住宅部門では、最終エネルギー消費の約80％が暖房と給湯に使用されています。

ヒートポンプ（図1）は、暖房、冷房、除湿のニーズを満たすことができ、電気を動力源とする暖房のための実証済みの持続可能なソリューションです。これらは家庭やオフィスにとって環境に優しい選択肢であり、化石燃料から、より再生可能なエネルギー技術への移行に役立ちます。エネルギー安全保障と気候変動への取り組みに対する世界的な懸念の中で、ヒートポンプは宇宙や給湯システムにおける脱炭素化の主要な手段として台頭してきています。

国際エネルギー協会（IEA）によると、世界のヒートポンプ設置台数は2020年の1億8,000万台から2030年には約6億台に増加する見込みです。従来の化石燃料ボイラよりも少なくとも3倍効率的なヒートポンプが好まれ、個々の建物への設置台数は、現在の月間150万台から2030年までに約500万台に増加すると予測されています（出典：IEA)。米国のインフレ抑制法には、世帯の適格性に応じて最大100%の費用が助成される税額控除とリベートが含まれています。

ヒートポンプの効率におけるIPMの役割

インテリジェントパワーモジュール（IPM）は、ヒートポンプシステムのインバータコンプレッサとファンへの電力フローを制御する上で非常に重要です(図2）。これらのモジュールは、3相モータに供給される電源の周波数と電圧を調整し、コンプレッサとポンプの高いエネルギー効率基準の達成に寄与します。例えば、インバータシステムにIPMを使用したクーラーは、非インバータシステムと比較して電力を30%削減します。

IPMはさまざまなアプリケーションやシステムに普及しています。IPMは、パワーステージ、ドライバ、保護のいずれにおいても高度に統合されているため、開発期間の短縮が可能です。

オンセミはこのほど、3相インバータ・アプリケーションの新たな標準となる1200V SPM31 IPMの新ファミリを発表しました。この画期的な技術は、エネルギー効率に対するニーズの高まりに対応するだけでなく、システムコストの削減と全体的な性能の向上にも重点を置いています。新しく改良された機能を備えたSPM31 IPMは、ヒートポンプ市場におけるゲームチェンジャーです。

1. 効率と電力密度の向上

SPM31 IPMは、 最新の第7世代IGBTフィールドストップ（FS7）技術を搭載しており、高効率かつ堅牢です。最適化されたアクティブセル設計とバッファプロファイルは、狭い電気的パラメータ分布と併せて、単一および並列デバイス動作の両方で短絡発振を排除します。この技術では、サブミクロンのトレンチゲートセルピッチを使用し、チャネル密度を高めて伝導損失を低減しています。ゲート容量は、スムーズなスイッチング波形と低スイッチング損失のために最適化されています。エミッタ側では、複数のFS層がブロッキング能力を高め、ドリフト層の厚さを減らすことで、伝導損失とスイッチングエネルギー損失を低減します。FS7 IGBTの開発は、最先端のデバイス性能を達成するために、VCE(sat)とEoffの両方を最適化することに重点を置いています。

この技術により、前世代の製品と比較して、EMI が最小限に抑えられ、電力損失が最大 10%と大幅に削減され、電力密度が最大9%増加し、IGBTチップのダイサイズが20%縮小されます。電力密度が改善された結果、設計者は簡素なレイアウトを使用して、効率を向上させながら、ヒートポンプシステムの貴重なスペースを解放することができます。SPM31 IPMには15A～35A範囲の複数の定格電流ラインナップが用意されています。

2. 信頼性の高い操作を実現する高度な機能

オンセミのSPM31 IPMには、信頼性の高い動作を実現する一連の高度な機能が実装されています。これらのモジュールは、ゲートドライバICと、以下のような各種オンモジュール保護機能を搭載しています。

• 低電圧ロックアウト：SPM31 IPMは、予測不可能な動作やシステムの損傷を引き起こす可能性のある低電圧状態から保護します。
• 過電流シャットダウン：この機能は、システムに永久的な損傷を与える可能性のある過度な電流の流れに対する保護を提供します。
• 熱監視：SPM31 IPMは、温度を正確に感知できるため、適切な熱管理を可能にし、過熱を防止します。
• 故障報告：モジュールはさまざまな故障を検出してシステムに報告することができ、潜在的な問題に対する早期警告サインを出力します。

さらに、SPM31 IPMはダイレクトボンド銅（Direct Bond Copper, DBC）基板を使用しており（図5）、優れた熱性能を発揮します。これらの特徴により、モジュールの堅牢性が向上し、幅広い用途に適合します。SPM31 IPMの多用途性により、HVAC、ヒートポンプ、可変周波数ドライブ (VFD)、産業用ポンプおよびファン、サーボモータなど、さまざまなインバータドライブ・アプリケーションにとって理想的な選択肢となります。

オンセミは、SPM31の他にも多彩なIPM製品ポートフォリオを揃えています(図6)。

これらのモジュールの適応性は、効率的でコンパクトなソリューションを提供することにより、多数の産業に革命をもたらす可能性を示しています。

ヒートポンプの用途を一変

SPM31 IPMは、ヒートポンプ・アプリケーションにとって重要な進歩です。IPMは、エンジニアが産業用アプリケーションにおいて、より効率的で信頼性が高く、コスト効率の高いシステムを設計できるよう、コンパクトで高性能なソリューションを提供します。

SPM31 IPM の技術詳細については、こちらをご覧ください。

その他の資料：

• オンセミ、冷暖房のエネルギー消費を削減する第7世代IGBTベースのインテリジェント パワーモジュールを発表（プレスリリース）
• システムソリューションガイド：ヒートポンプ
• アプリケーションノート：3相インバータパワーモジュール1200V SPM31バージョン2シリーズ