Consommation d’électricité en hausse

Le développement des sources et des consommateurs d’électricité impose des exigences accrues aux convertisseurs de puissance. Des composants innovants, comme le nitrure de gallium (GaN), issu de la famille des semi-conducteurs à large bande interdite, se positionnent comme des solutions répondant à ce besoin de performance accrue.

La consommation d’électricité ne cesse de croître en raison du développement de :

– Moyens de transport électriques
– Parcs solaires ou éoliens
– Centres de données et outils numériques
– Équipements et machines électriques

L’efficacité des systèmes électriques devient ainsi un enjeu majeur, nécessitant un équilibre entre :

– Performance (notamment rendement et densité de puissance)
– Coûts

La prise en compte de ces critères impose nécessairement des contraintes sur l’architecture des convertisseurs DC DC et le choix des composants de puissance (actifs ou passifs).

Évolution de la technologie des composants

Pour améliorer les performances, des recherches sont menées sur les matériaux et les technologies utilisés dans les composants de puissance.

Les semi-conducteurs à large bande interdite, tels que le carbure de silicium (SiC) ou le nitrure de gallium (GaN), permettent de développer des transistors de puissance aux performances supérieures aux standards actuels des MOSFET ou IGBT, en rendant possible :

– Une réduction significative de la taille des convertisseurs DC DC
– L’atteinte de performances de conversion élevées (rendement)

La capacité des composants à large bande à commuter beaucoup plus rapidement, plus fréquemment et à des fréquences plus élevées que les technologies précédentes permet d’augmenter drastiquement la densité de puissance des convertisseurs d’énergie, notamment par la réduction de la taille des éléments magnétiques et la simplification du système de refroidissement.

La conversion d’énergie DC DC est considérée comme le deuxième étage de conversion d’énergie :

• 1er étage – conversion AC/DC
  Correction du facteur de puissance, non isolée.
• 2ème étage – conversion DC/DC
  Adaptation de la tension et du courant de sortie à l’application.
  Isolation possible entre entrée et sortie.
• 3ème étage (optionnel) – bus DC
  Lissage de la puissance prélevée.

Ainsi, la conversion d’énergie DC DC a pour fonction d’adapter la tension et le courant de sortie à la charge. L’isolation peut être nécessaire dans certaines applications afin d’assurer la sécurité des utilisateurs.

L’utilisation de composants SiC et GaN au sein de l’architecture des convertisseurs DC DC permet de développer des systèmes de conversion innovants et à hautes performances.

Principes de conversion DC DC

La conversion d’énergie DC/DC est considérée comme le deuxième étage de conversion d’énergie :

• 1er étage – conversion AC/DC
  Correction du facteur de puissance, non isolée.
• 2ème étage – conversion DC/DC
  Adaptation de la tension et du courant de sortie à l’application.
  Isolation possible entre entrée et sortie.
• 3ème étage (optionnel) – bus DC
  Lissage de la puissance prélevée.

Ainsi, la conversion d’énergie DC/DC a pour fonction d’adapter la tension et le courant de sortie à la charge. L’isolation peut être nécessaire dans certaines applications afin d’assurer la sécurité des utilisateurs.

L’utilisation de composants SiC et GaN au sein de l’architecture des convertisseurs DC DC permet de développer des systèmes de conversion innovants et à hautes performances.

Perspectives

Les performances en rendement et densité de puissance que permettent les semi-conducteurs “grand gap” tendent à généraliser leur utilisation en conception d’architectures de puissance.

Les applications émergentes comme les véhicules électriques et chargeurs attenants encouragent l’utilisation des composants SiC ou GaN : la bidirectionnalité en puissance des chargeurs est requise afin d’assurer le rôle futur des véhicules électriques dans la régulation du réseau électrique (grid). Cette régulation s’effectue par l’injection de l’énergie stockée dans le chargeur sur le réseau, tout en conservant les propriétés de transfert de charge vers le véhicule électrique.

Cet exemple d’application induit des exigences plus strictes sur l’architecture de puissance et implique l’utilisation de composants SiC ou GaN pour des performances plus élevées issues d’ensembles de puissance plus compacts.