Le climat a contraint l'industrie à proposer des solutions énergétiques alternatives. Des technologies innovantes, telles que la production d'énergie solaire et éolienne, remplacent de plus en plus les usines traditionnelles fonctionnant à l'énergie fossile, et les économies de coûts découlant du stockage de l'énergie et des méthodes de collecte les rendent moins coûteuses que les usines de production de gaz ne fonctionnant que pour les pics de la demande.
Les gouvernements soutenant ces technologies relativement nouvelles au moyen de politiques et de mesures d'incitation, il existe de nombreuses possibilités d'amélioration et de croissance de l'infrastructure énergétique publique et de sa structure de réseau associée.
Des progrès récents pour des améliorations majeures
Une structure de réseau plus ancienne consiste en une fourniture d'électricité à sens unique et une production d'énergie limitée, comme les combustibles fossiles, l'hydroélectricité et les centrales nucléaires. Les progrès récents en matière d'énergie renouvelable et de collecte ont permis à ce même réseau de diversifier ses sources de production d'électricité (éolienne et solaire) tout en créant une distribution flexible et bidirectionnelle destinée à satisfaire des demandes variables et diverses options de stockage.
En ce qui concerne spécifiquement l'énergie solaire, l'installation nécessite généralement des onduleurs qui convertissent la tension continue produite par les modules photovoltaïques (PV) en une tension alternative, qui est ensuite transférée vers le réseau. L'un des moyens les plus courants pour ce faire consiste à utiliser un schéma d'onduleur de chaîne, dans lequel la tension CC provenant d'une chaîne de panneaux solaires est envoyée à un étage de suralimentation CC/CC, puis à un onduleur CC/CA, et est ensuite connectée au réseau.
La figure 1 montre un schéma de principe d'onduleur de chaîne solaire typique complet avec commande de grille, détection et traitement. La fourniture d'énergie pour cette configuration est généralement effectuée avec des transistors bipolaires à grille isolée (IGBT), des FET haute tension et, plus communément, des modules intégrés d'alimentation (PIM) qui contiennent des IGBT et des diodes intégrés.
La recharge des véhicules électriques (VE) est une autre industrie éco-consciente qui enregistre également une forte demande énergétique. Les véhicules électriques n'ont jamais été aussi populaires ; malheureusement, il n'existe actuellement pas suffisamment de borne de recharge face à cette hausse de la demande. L’infrastructure de recharge des véhicules électriques n'est pas aussi dense que le réseau des stations-service, et les temps de recharge freinent encore les consommateurs, soucieux de l'autonomie de ces véhicules. Il a été démontré que les systèmes de charge rapide CC (par opposition aux systèmes de charge CA plus lents) fonctionnant à des niveaux de puissance de 350 kW chargeaient complètement un véhicule en moins de 10 minutes.
La figure 2 montre un exemple d'un schéma de principe à charge rapide CC typique, illustrant les composants de l'alimentation électrique et le traitement et les périphériques associés.
Il s'avère que les composants à base de carbure de silicium (SiC) peuvent fournir une meilleure solution de fourniture d'énergie pour les infrastructures énergétiques publiques telles que les réseaux électriques et les stations de recharge de VE. Une telle solution pourrait, à son tour, apporter une amélioration en réduisant les pertes de conduction, le courant de fuite et en optimisant la gestion thermique, la capacité de surtension et la densité de puissance. De plus, la technologie à base de SiC permet une meilleure efficacité globale, avec une fiabilité accrue et une empreinte globale réduite. Des entreprises leaders du secteur comme onsemi proposent une famille de dispositifs SiC : nous allons donc découvrir ces dispositifs et étudier certaines de leurs applications.
Technologie SiC - Une meilleure solution
Que l'application soit solaire, de recharge EV ou même des datacenters, il a été démontré que la technologie SiC peut surpasser les composants et modules en silicium traditionnels tels que les transistors bipolaires à grille isolée (IGBT) ou les transistors à effet de champ à grille isolée (MOSFET) au silicium. Mais commençons par le sujet qui intéresse avant tout chaque concepteur : l’efficacité.
Comment la technologie SiC vous offre-t-elle une efficacité accrue ? De nombreux facteurs interviennent, mais principalement, la technologie SiC a pour avantage d'offrir des températures et des fréquences de fonctionnement plus élevées (allant jusqu'à 1 MHz), des pertes de conduction (Vf) plus faibles, ainsi qu'une tension et un courant nominal maximaux plus élevés (tension drain-source jusqu'à 1 800 V et capacités actuelles allant jusqu'à 100 A), ce qui, à son tour, assure une plus grande efficacité énergétique et moins d'exigences de refroidissement par rapport aux MOSFET au silicium.
Reportez-vous à la figure 3 pour consulter un diagramme sur la façon dont la technologie SiC fournit certaines des capacités de puissance globale les plus élevées pour les applications haute tension et haute intensité.
Étant donné que la résistance à l'état passant de ces dispositifs SiC est plus faible et que la capacité de puissance est beaucoup plus élevée, une solution à base de SiC se traduit par une plus grande efficacité de fonctionnement.
La figure 4 montre comment une diode à base de SiC et un MOSFET en tandem peuvent renforcer l'efficacité énergétique d'un convertisseur élévateur de 5 kW en réduisant les pertes de conduction jusqu'à 73 %.
L'encombrement des circuits utilisant la technologie SiC est généralement beaucoup plus compact en raison des exigences de taille plus faible des inducteurs et des condensateurs associés. En effet, dans certains cas, sa taille est jusqu'à 75 % plus petite en raison des fréquences de commutation plus élevées par rapport aux circuits à base de silicium fonctionnant au même niveau de puissance. C'est ce qui fournit une densité de puissance plus élevée. Et, bien que les MOSFET SiC soient généralement 4 fois plus chers que les MOSFET au silicium traditionnels, le coût global du système diminue en raison de ces inductances et condensateurs plus petits.
En ce qui concerne l'assemblage et l'intégration mécanique, il a été démontré que les PIM d'ON Semconductor - tels que les modules Q0/Q1/Q2PACK, qui incorporent des composants SiC pour aider à réduire le nombre global de composants - simplifient le processus de fabrication et réduisent les risques de développement tout en permettant une mise sur le marché plus rapide.
De plus, les solutions discrètes et non intégrées nécessitent généralement plus de temps au niveau de l'assemblage des composants de gestion thermique, tels que les tampons isolants et les dissipateurs thermiques, tout en présentant un risque plus élevé de mauvais contact thermique. Les solutions PIM offrent un processus d'assemblage beaucoup plus simple, ce qui entraîne une réduction du temps et des coûts d'assemblage et une plus grande fiabilité, tout en offrant un produit final plus compact en raison des avantages en termes de densité de puissance.
La figure 5 présente une comparaison du processus d'assemblage d'une solution discrète par rapport à un module PIM.
Application des solutions d'alimentation d'onsemi aux applications SiC modernes
Les modules PIM d’onsemi offrent une commutation plus rapide, une efficacité énergétique supérieure et une densité de puissance plus élevée. Ces solutions permettent également de réduire le coût et la taille du système, mais ce n’est pas tout. Les modules PIM ne sont pas toujours privilégiés par rapport aux composants discrets, et la puissance nominale de l’application ainsi que les considérations de performances et de coûts orienteront généralement la décision de conception. onsemi propose à la fois des solutions discrètes et PIM SiC.
La figure 6 indique comment choisir entre une solution discrète ou PIM.
Les alimentations électriques auxiliaires haute tension utilisées pour des applications telles que l'onduleur, la commande de moteur ou un onduleur PV ont généralement des tensions de liaison CC allant de 300 à 1 000 V CC, ce qui rend difficile l'incorporation de blocs d'alimentation auxiliaires à basse tension pour les écrans, les ventilateurs ou les appareils de chauffage. Toutefois, les MOSFET SiC fonctionnent avec une tension de blocage beaucoup plus élevée et une plage de tension d'entrée plus large, permettant ainsi une plus grande flexibilité et plus de capacités du système. De plus, des fréquences plus élevées et une résistance à l'état passant plus faible se traduisent par des solutions beaucoup plus compactes et plus puissantes, comme indiqué dans la section des avantages de la technologie SiC. Mais voyons une comparaison directe entre une alimentation configurée ESBC fonctionnant à 75 kHz et une alimentation basée sur la technologie SiC fonctionnant à 300 kHz. L'alimentation SiC se traduit par une taille inférieure (environ la moitié), une puissance de sortie supérieure de 20 % et une efficacité énergétique nettement améliorée.
Reportez-vous à la figure 7 pour une comparaison au niveau de la taille et de l'efficacité.
onsemi propose une vaste gamme de technologies de commutation et de types de boîtiers en fonction des besoins de l’application, ainsi que des pilotes isolés.
Consultez la figure 8 pour voir la gamme complète de dispositifs SiC d'onsemi.
Conclusion
La technologie SiC offre de nombreux avantages qui améliorent l'efficacité énergétique et la fiabilité du système des équipements haute puissance utilisés pour une industrie des infrastructures énergétiques publiques à croissance rapide et financée par l'État, tout en réduisant le coût et la taille globaux du système.
Qu'il s'agisse d'un réseau électrique utilisant des énergies renouvelables, d'une station de recharge de véhicules électriques ou d'autres applications haute tension/courant élevé, l'avantage de la technologie SiC doit être pris en compte. Explorez le portefeuille des produits sectoriels de pointe d'onsemi, sur Arrow.com pour consulter une vaste gamme de dispositifs SiC adaptés à toutes les applications.