Depuis les véhicules électriques jusqu'aux panneaux solaires en passant par les systèmes de chauffage, de ventilation et de climatisation, les SiC renforcent la densité de puissance, l'efficacité et la fiabilité des dispositifs, tout en réduisant la taille et le poids des systèmes.
Près de cinq ans après l'intégration par Tesla de MOSFET en carbure de silicium (SiC) dans l'inverseur de traction de la Model 3, un dispositif qui convertit le courant continu sortant de la batterie en courant alternatif nécessaire pour entraîner le moteur, cette technologie dite de la « bande interdite » (WBG) a fortement transformé la dynamique de puissance dans les conceptions de véhicules électriques.
Une étude réalisée par Exawatt prédit que 70 % des véhicules électriques personnels utiliseront des MOSFET SiC d'ici 2030. Ce matériau semi-conducteur WBG devrait ensuite transformer les conceptions d'énergies renouvelables, depuis les éoliennes jusqu'aux moteurs industriels en passant par les panneaux solaires.
Outre l'électrification des véhicules, une série de dispositifs tels que les inverseurs de traction traduisent, gèrent et régulent constamment le flux d'énergie dans l'électrification des parcs d'éoliennes, des systèmes d'énergie solaire et les réseaux électriques.
Les SiC d'Infineon se sont trouvés au cœur d'un projet pilote d'un an visant à réduire le bruit des moteurs des tramways de Munich, en Allemagne.
Mais pourquoi les composants SiC sont-ils une meilleure solution pour les véhicules électriques et les conceptions d'énergie renouvelable comme les inverseurs photovoltaïques ? Dans les applications électriques destinées à l'électrification des véhicules et aux systèmes des énergies renouvelables, l'efficacité, la fiabilité et la densité de puissance constituent des défis constants pour les ingénieurs de conception. Or, la plupart des composants à base de silicium ont atteint leurs limites en ce qui concerne l'amélioration de l'efficacité et la réduction des coûts.
D'un autre côté, des conceptions comme les unités de puissance de traction, les entraînements de moteurs industriels et les solutions d'infrastructures énergétiques nécessitent des technologies de commutation de haute tension pour améliorer l'efficacité, réduire la taille et le poids des systèmes et renforcer la fiabilité. Cela passera par une nouvelle génération de composants d'alimentation capables d'améliorer l'efficacité au niveau du système, d'augmenter la densité de puissance, de réduire les interférences électromagnétiques et de diminuer la taille et le poids des systèmes. C'est là qu'interviennent les semi-conducteurs de puissance SiC.
Prenons le cas des véhicules électriques, dans lesquels les composants SiC sont devenus un élément clé des conceptions d'inverseurs de traction, de chargeurs embarqués (OBC), de convertisseurs CC/CC et de compresseurs e-climatiques. Le paragraphe suivant étudiera la façon dont les semi-conducteurs SiC améliorent l'efficacité et réduisent la taille des groupes motopropulseurs et des chargeurs pour véhicules électriques.
Pourquoi les SiC sont aussi répandus dans les véhicules électriques
Il n'est pas étonnant que les véhicules électriques aspirent à augmenter la capacité de leur batterie embarquée pour améliorer l'autonomie. Ces véhicules utilisent en outre des batteries 800-V pour répondre à la demande de temps de chargement plus courts. De même, il n'est pas étonnant que les concepteurs automobiles aient un besoin urgent de dispositifs d'alimentation capables de supporter des tensions élevées avec peu de pertes.
Les composants SiC peuvent supporter des tensions allant jusqu'à 1 200 V et au-delà tout en offrant une conductivité thermique supérieure. Par ailleurs, leur gestion très fiable des hautes fréquences permet d'obtenir des composants passifs plus compacts dans les systèmes d'alimentation. C'est ainsi que les dispositifs d'alimentation SiC contribuent à améliorer l'efficacité des véhicules et à diminuer leur poids et leur coût.
Outre le groupe motopropulseur, la partie qui va chercher l'énergie à la source d'alimentation (batterie) pour la transférer aux axes qui permettront au véhicule de se mouvoir, le marché adjacent le plus notable est le chargement embarqué pour les véhicules électriques. Ici, les convertisseurs ressemblent aux inverseurs de traction, mais ils réalisent l'opération l’inverse. Ils convertissent le courant alternatif de la prise murale en courant continu qui pourra alimenter la batterie.
Lorsque Lucid, un constructeur automobile californien, a conçu la Lucid Air, sa première berline électrique de luxe, ce sont des MOSFET SiC qui ont été utilisés comme principale unité de chargement embarquée. Celle-ci intégrait un convertisseur CC/CC et l'OBC bidirectionnel pour que puisse être mis en place un circuit évolué de correction de facteur de puissance capable de fonctionner à de hautes fréquences de commutation.
Les MOSFET SiC de Rohm alimentaient la Wunderbox de la Lucid Air, c'est-à-dire la principale unité de chargement embarquée qui intègre un convertisseur CC/CC et l'OBC bidirectionnel.
L'incorporation des MOSFET SiC SCT3040K et SCT3080K de Rohm a également aidé Lucid à réduire la taille de sa conception, ainsi que les pertes de puissance, grâce à la grande efficacité de chargement du système. Rohm a optimisé ses MOSFET SiC pour ses systèmes de groupes motopropulseurs automobiles, tels que les principaux inverseurs d'entraînement.
On trouve également en Chine les bus électriques lancés par le groupe Yutong. Ici, le système de groupe motopropulseur à haute efficacité pour bus électriques repose sur des modules StarPower qui intègrent des MOSFET SiC 1 200-V de Wolfspeed.
Au-delà des véhicules électriques : l'énergie renouvelable
Tout en bouleversant le fonctionnement du groupe motopropulseur et des OBC dans les véhicules électriques, le SiC a fait la preuve de son potentiel pour servir les applications d'électrification allant des systèmes de chauffage, ventilation et climatisation aux réseaux électriques, en passant par les moteurs industriels. Bref, le SiC ne se limite absolument pas aux véhicules électriques.
Cas d'espèce : la capacité photovoltaïque installée prolifère à travers le monde, remplaçant déjà environ 600 centrales à charbon de taille moyenne. Les systèmes à énergie solaire utilisent de nombreux inverseurs. Ici, la taille et le poids sont des critères déterminants pour l'installation des panneaux solaires. Une réduction de la taille des inverseurs pourrait permettre de diminuer sensiblement le personnel nécessaire pour installer et gérer ce type de panneaux.
Midnite Solar, un producteur de produits pour énergies alternatives installé à Arlington, dans l'État de Washington, a utilisé les MOSFET SiC de Rohm dans des contrôleurs de charge solaire, des doubles contrôleurs de charge MPPT, des inverseurs/chargeurs à batteries et des inverseurs/chargeurs 120-/240-V. Bien que Midnite Solar ait essayé de faire fonctionner un inverseur comme un chargeur, ce qui l'oblige à fonctionner de façon bidirectionnelle, la marque avait tout d'abord tenté d'utiliser une paire d'IGBT en combinaison avec une autre diode. Cette tentative ayant échoué, c'est le SiC qui a résolu ce problème de conception.
On pourra également citer Delta Energy Systems, qui a utilisé les MOSFET SiC de Wolfspeed dans son inverseur à énergie solaire pour augmenter la densité de puissance et le rendement énergétique tout en allégeant les inverseurs.
