Ces dix dernières années, l'augmentation rapide de la population mondiale, qui vient de franchir la barre des 8 milliards, s'est accompagnée d'une croissance similaire de la demande d'énergie. D'ici 2040, cette demande mondiale devrait augmenter d'environ 19 %. Sur ce chiffre, 40 % des besoins énergétiques actuels concernent l'énergie électrique. Ce sera 60 % d'ici 2040, soit plus de la moitié de la demande totale en énergie.
À l'heure actuelle, plus de la moitié de la demande mondiale d'électricité est comblée par l'utilisation de carburants fossiles, ce qui est néfaste pour l'environnement. La combustion de ces carburants augmente les rejets de gaz à effet de serre, ce qui provoque une hausse du réchauffement global et présente un risque considérable pour la vie des êtres humains et des autres espèces sur la planète.
Les conséquences du réchauffement climatique ont renforcé l'intérêt pour des sources d'énergie plus vertes et plus renouvelables comme le solaire, l'éolien et l'hydroélectrique. Toutes ces sources sont abondamment disponibles dans la nature et engendrent des produits dérivés, comme l'eau, qui sont en outre sans danger et peuvent être réutilisés pour d'autres applications. Toutefois, malgré tout leur intérêt, leur part de marché par rapport aux carburants fossiles ne semble croître que très lentement. Cela tient essentiellement au décalage de la demande énergétique et à l'utilisation de centrales au gaz ou au charbon comme solution d'ajustement pour répondre à ces variations.
À terme, l'objectif est d'utiliser l'énergie de façon durable et d'en limiter le gaspillage autant que possible. Le développement de technologies et de stratégies d'économies d'énergie devient crucial pour résoudre ce problème et nous ne pouvons pas nous contenter des seules sources renouvelables. Selon l'Association canadienne des producteurs de pétrole (CAPP), sans les améliorations constamment réalisées dans le domaine du rendement énergétique, le monde aurait eu besoin de deux fois plus d'énergie pour répondre à la demande actuelle. Grâce à des convertisseurs économes en énergie qui reposent sur des composants électroniques de puissance, la conversion de puissance peut atteindre dans certains cas un rendement de 99 %, ce que nous verrons plus loin.
Des pertes d'énergie, de la production à l'utilisation. (Crédit image : reasearchgate.net)
Les composants électroniques de puissance dans les variateurs de vitesse (Adjustable Speed Drives, ASD)
La plupart des applications impliquant un mouvement physique utilisent un moteur électrique pour alimenter l'ensemble du système mécanique. À eux seuls, les moteurs électriques consomment plus de 40 % de l'énergie électrique totale. La part énergétique des moteurs est encore plus élevée dans les secteurs industriels, où 65 % environ sont dus à des applications comme les courroies de conversion, les ascenseurs, les systèmes de commande de mouvement, etc. Certaines applications doivent pouvoir faire varier la vitesse et le couple, domaine dans lequel les ASD sont les plus efficaces, tandis que d'autres applications au profil de charge constant utiliseront d'autres types de moteurs. La création de systèmes d'entraînement motorisés à haut rendement énergétique représente donc une fantastique occasion d'abaisser la consommation énergétique mondiale.
Par rapport aux entraînements moteur classiques, les entraînements électroniques consomment infiniment moins d'énergie puisque la perte d'énergie sous forme de chaleur est réduite. Même les démarreurs moteurs classiques, comme ceux qui utilisent des banques de résistances, sont largement inefficaces et offrent des performances médiocres au vu des normes actuelles. Avec l'introduction de composants électroniques de puissance solid-state comme les thyristors, les SCR, les IGBT et les MOSFET, des démarreurs moteurs efficaces sont développés et s'adaptent facilement à l'existant. Le démarreur à induction SMCV6080 à tension réduite de Celduc Relais est l'un de ces produits qui offrent des fonctionnalités de démarrage et d'arrêt progressif. Il utilise six thyristors pour commander le moteur en toute fluidité. Grâce à ses microcontrôleurs intégrés, ce démarreur peut également offrir des fonctions de diagnostic et d'autotest.
Éclairage économe en énergie grâce à l'électronique de puissance
Les systèmes d'éclairage électrique sont les seconds plus gros consommateurs d'énergie électrique en raison de leur utilisation continue la nuit et même pendant la journée, surtout dans les endroits moins ensoleillés. L'éclairage électrique représente environ 22 % de l'utilisation mondiale de l'énergie électrique. Le domaine présente donc un potentiel considérable d'économies d'énergie. Au moins 20 % de l'énergie peuvent être économisés à l'aide de drivers d'éclairage utilisant des composants électroniques de puissance. Des économies supplémentaires peuvent aussi être réalisées grâce à des solutions de commande intelligentes reposant sur l'IoT. Depuis l'invention de la première ampoule d'éclairage incandescente en 1879, les technologies permettant de créer des sources de lumière ont considérablement progressé, l'éclairage LED étant le plus efficace et le plus récent.
Les dispositifs électroniques de puissance comme les TRIAC servent à développer des drivers dimmables capables de contrôler à la fois les ampoules à incandescence et les éclairages LED pour permettre de réaliser des économies. Les drivers LED utilisant la modulation de largeur d'impulsion (PWM) permettent d'atténuer l'intensité de l'éclairage grâce à un contrôle précis de la sortie de courant. Les progrès de l'électronique de puissance font qu'il est maintenant possible de fabriquer des circuits imprimés pour drivers LED d'une taille inférieure à celle d'un ongle. L'ILD6150XUMA1 d'Infineon Technologies est un exemple de driver LED compact pour LED à haute puissance. Il offre des fonctions de contrôle d'intensité analogique et à PWM et intègre une protection réglable contre la surchauffe, puisque les LED haute puissance dégagent beaucoup de chaleur.
Électronique de puissance à large bande
L'électronique de puissance peut s'appliquer dans presque tous les cas d'utilisation de l'énergie électrique. Le choix des bons matériaux pour les dispositifs à semi-conducteurs est donc lui aussi crucial. Dans les dernières décennies, le silicium (Si) a été le choix privilégié pour le développement de ces dispositifs en raison de son faible coût et de sa large capacité de gestion de la tension et du courant. Or, la technologie cherchant en permanence à réduire les tailles et à augmenter les rendements, les dispositifs Si ont depuis atteint leurs limites.
Comparaison des performances du Si, du GaN et du SiC. (Crédit image : reasearchgate.net)
Le SiC (carbure de silicium) et le GaN (nitrure de gallium) sont des technologies émergentes prometteuses qui offrent de nombreux avantages et peuvent remplacer le Si. Le GaN possède des capacités de commutation à haute fréquence avec une bande de 3,2 eV, tandis que la bande du Si n'est que de 1,1 eV. Le SiC, de son côté, peut supporter des températures et des tensions élevées, tout en présentant une bande supérieure à celle du Si. Tous ces facteurs font que le SiC et le GaN représentent l'avenir des semi-conducteurs et qu'on les utilise pour créer des dispositifs comme les MOSFET. Le transistor à GaN GS065011 de GaN Systems est un bon exemple de ce type de dispositif qui bénéficie de la disposition de cellules brevetée d'Island Technology. Il offre une résistance thermique très faible de 150 mΩ, ce qui autorise une commutation d'alimentation à haut rendement pour des applications comme les drivers LED, la charge des batteries, les entraînements moteurs, etc.
L'avenir des équipements électroniques de puissance
Il est indéniable que l'humanité est désormais totalement dépendante de l'électricité et que c'est elle qui fait tourner le monde. Cela ouvre un champ de recherche quasi infini pour la création de dispositifs d'électronique de puissance aux performances supérieures et au rendement amélioré et pour l'élaboration de solutions permettant aux équipements électroniques de fonctionner dans des conditions aussi proches de l'idéal que possible. D'un autre côté, la durabilité devient un aspect important à garder à l'esprit, sachant que les réserves de matériaux comme le silicium et de gallium sont limitées dans la nature. À mesure que les performances augmenteront, la demande pour ces types de convertisseurs augmentera également, ce qui conduira à l'exploitation de ces matières premières. L'équilibre entre l'augmentation des économies d'énergie et l'amélioration du rendement énergétique sera donc un sujet de réflexion à l'avenir.
