L'électronique de puissance à base de silicium (Si) a longtemps dominé le secteur en raison d'une technologie mûre et d'un accès plutôt facile. Toutefois, le substrat au carbure de silicium (SiC) a récemment pris du galon à cause de ses avantages intrinsèques, qui correspondent bien aux tendances sectorielles récentes. Ce semi-conducteur à large bande interdite peut non seulement gérer des densités énergétiques plus larges que son correspondant Si, mais il fournit aussi une efficacité de conversion de puissance élevée avec une large conductivité thermique, des facteurs particulièrement critiques dans les applications avec batterie qui exigent un haut niveau d'économies d'énergie et des charges rapides.
Cet article fait partie d'une série en deux parties qui aborde les éléments à prendre en compte en matière de systèmes à chargeur embarqué (OBC) et les avantages du SiC sur le Si pour les chargeurs embarqués, en mettant l'accent sur les chargeurs bidirectionnels. Les avantages pratiques liés à l'installation du SiC sur le Si pour les OBC sont présentés sous la forme d'une comparaison des modèles de référence pour un OBC Si et un OBC SiC, avec analyse des réductions de coûts et ventilation des avantages de chaque système.
Pourquoi le SiC ?
Le SiC permet déjà bien des applications dans le domaine de l'électronique de puissance, dont les alimentations électriques, la conversion de l'énergie solaire, la conversion de l'énergie émanant d'autres sources d'énergies renouvelables et les onduleurs pour les commandes de moteurs industriels. Ce semi-conducteur à large bande interdite se positionne de manière unique sur le segment des applications sur le spectre allant des appareils à faible puissance aux systèmes à haute puissance de par son association unique de champ électrique critique (2,2 x 106 V/cm), de vitesse électronique, de point de fusion (300 °C) et de conductivité thermique (4,9 W/cmK). Au niveau du transistor, il se produit une faible résistance à l'état (R(DS)on) qui autorise des pertes de conduction plus faibles mais qui, à l'inverse, autorise les applications à courant fort. La capacité de l'appareil inférieur par rapport aux transistors bipolaires à grille isolée (IGBT pour Insulated Gate Bipolar Transistors) Si permet de faibles pertes de commutation à des fréquences de commutation élevées avec des filtres plus petits, des composants passifs et un système de gestion thermique globalement plus simple.
Wolfspeed est spécialisé dans le design et le développement de systèmes SiC, du développement de wafer de base au design et à la prise en charge des équipements SiC installés. Le tableau 1 détaille les avantages du SiC ainsi que les avantages combinés si l'on tire parti de l'expertise de Wolfspeed en SiC.
Tableau 1
Ces qualités enviables ont propulsé l'utilisation des convertisseurs CC/CC et CA/CC SiC du courant faible aux applications de véhicules électriques (VE) de courant fort. C'est particulièrement vrai pour les OBC utilisés dans les véhicules électriques comme les vélos électriques, les véhicules électriques hybrides (HEV), les véhicules hybrides rechargeables (PHEV) et différents véhicules électriques à batterie (BEV), ce qui inclut les voitures particulières et les camions commerciaux. C'est particulièrement vrai pour les systèmes OBC au-delà de 3,3 kW, qui servent à charger les batteries des véhicules électriques plus rapidement. Les avantages sont multiples : simplification de la charge et diffusion de cette technologie auprès des consommateurs habitués aux moteurs à combustion interne (tout en atténuant les effets négatifs de l'inquiétude liée à l'autonomie).
Pour ces raisons, le temps de charge et l'autonomie effective du véhicule après une charge sont des paramètres critiques pour les fabricants automobiles ; 2 facteurs qui dépendent de la taille de la batterie et de la puissance de charge nominale. Ces puissances de charge vont des systèmes monophasés à puissance réduite à 3,3 kW et à 6,6 kW aux systèmes 11 kW et 22 kW à puissance élevée. La figure 1 montre le type de véhicule, la taille de la batterie, le temps de charge de 0 % à 100 % et les technologies concurrentes pour les OBC 3,3 kW, 6,6 kW, 11 kW et 22 kW.
Figure 1 : comparaison du type de véhicule, de la taille de la batterie, du temps de charge de 0 % à 100 % avec les technologies des concurrents avec OBC 6,6 kW et 22 kW
Les types de véhicule vont de la voiture particulière (BEV) aux BEV plus larges et aux performances plus élevées comme les camions électriques. Comme indiqué dans l'image, même avec une puissance de charge multipliée par 3, les véhicules à capacité plus large peuvent malgré tout avoir un temps de charge de 0 % à 100 % plus long. Ce qui fait que les OBC sont particulièrement efficaces pour les systèmes à puissance élevée : on perd moins de puissance et on charge plus vite.
Outre l'efficacité des OBC, des paramètres tels que le coût, le poids et la taille sont critiques car des OBC plus légers et plus petits sont plus faciles à installer dans un véhicule dont l'espace est souvent plus restreint. De plus, le coût des OBC pour le consommateur et l'équipementier a un impact direct sur les dépenses d'investissement/le résultat net du fabricant et la facilité d'accès pour le consommateur. Pour rester compétitif, les OBC doivent permettre aux véhicules électriques d'atteindre le niveau de prix des véhicules à combustion interne classiques.
Modèles d'OBC bidirectionnels 22 kW : échantillon Si et SiC
Avantages du flux d'énergie bidirectionnel
Comme indiqué dans le modèle d'OBC unidirectionnel précédent, les chargeurs bidirectionnels peuvent pas nature atteindre une efficacité plus élevée que les modèles unidirectionnels à cause de l'omission des pertes de diode. Le bloc CC/CC unidirectionnel comprend l'utilisation de la diode Vienna PFC tandis que le convertisseur résonnant LLC unidirectionnel gère la rectification de sortie avec un pont à diodes. La figure 2 montre l'architecture type d'un OBC unidirectionnel monophasé : le rectificateur de pont complet est remplacé par des transistors MOSFET SiC à faibles pertes pour supprimer les pertes liées à la chute de tension directe des diodes du rectificateur. Ceci, à son tour, réduit la dissipation de puissance et simplifie les conditions de gestion thermique.
Même si l'Asie-Pacifique (APAC) mène l'initiative de charge bidirectionnelle pour les véhicules électriques, il existe une tendance générale en faveur de l'utilisation d'OBC bidirectionnels pour leur efficacité système plus élevée et leur potentiel pour les autres applications de véhicules électriques, dont la production d'énergie V2H (Vehicle-to-Home), les opportunités du véhicule-réseau (V2G pour Vehicle-to-Grid) et les cas d'utilisation de la charge V2V (Vehicle-to-vehicle) (pour redémarrer un autre véhicule électrique).
Figure 2 : architecture type d'un OBC bidirectionnel monophasé
OBC bidirectionnels 22 kW : comparaison Si et SiC
Comme montré précédemment dans la figure 1, les OBC bidirectionnels Si avec technologies à superjonction Si et IGBT Si sont les principaux concurrents des OBC bidirectionnels SiC. Toutefois, cette section illustre comme le SiC dépasse ces technologies dans tous les aspects concernés (coût, taille, poids, densité de puissance, efficacité). Commençons par observer la figure 3, qui contient un schéma de référence pour un OBC bidirectionnel 22 kW Si et SiC avec une comparaison en côte à côte du nombre d'appareils de puissance et de pilotes de grille.
Figure 3 : représentation schématique d'un OBC bidirectionnel (A) Si et (B) SiC
Le tableau 2 liste les caractéristiques du premier, le facteur de puissance (PFC) de totem-pôle CA/CC et, pour le second, les facteurs résonnants CLLC bidirectionnels CC/CC. D'après l'image et le tableau, on remarque facilement une diminution de plus de 30 % dans l'appareil de puissance et les pilotes de grill entre le modèle Si et le modèle SiC, avec l'avantage supplémentaire d'une fréquence de commutation plus que doublée. Ceci aboutit à une réduction de la taille et du poids des composants et du coût du système de conversion de puissance dans son ensemble, le tout avec un fonctionnement plus efficace.
Tableau 2
OBC bidirectionnel 22 kW : comparaison Si et SiC
Les réductions de coûts sont davantage ventilées dans la figure 4 pour chaque système, Si et SiC. Le système Si coûte près de 20 % plus cher que le système SiC, ce qui est en grande partie dû au nombre comparativement plus important de pilotes de grille et de magnétisme dans le bloc CC/CC. Ainsi, même si l'on peut affirmer que les appareils de puissance SiC discrets sont relativement moins chers que chaque diode Si et transistor de puissance, au sein d'un système, les capacités des appareils SiC offrent un effet de levier moins important. Il est donc possible de réduire les coûts des composants de circuit nécessaires pour prendre en charge les divers appareils de puissance.
Au-delà des économies de coûts, le système SiC parvient à produire une efficacité de système de crête de 97 % avec une densité de puissance de 3 kW/L alors que l'OBC Si atteint une efficacité de 95 % avec une densité de puissance de 2 kW/L seulement. Cette augmentation de l'effacité du système pourrait ajouter une économie d'énergie annuelle de 40,00 $ en moyenne pour le consommateur.
Figure 4 : ventilation des coûts système d'un OBC bidirectionnel 22 kW, SiC et Si
Le tableau 3 compare les coûts, la densité de puissance, les économies de fonctionnement et les économies de CO2 entre les installations Si et SiC d'un OBC bidirectionnel 6,6 kW et 22 kW. Plus le spectre de puissance augmente, plus les économies sont importantes. Le coût des matériaux des OBC SiC bidirectionnels 6,6 kW et 22 kW étant inférieur, cela finit par baisser la facture du système du côté de l'équipementier. En y ajoutant les économies de fonctionnement et les économies de CO2, ces économies sont répercutées jusqu'au consommateur, ce qui limite les écarts de prix avec les solutions à combustion interne tout en contribuant à faire baisser les émissions, ce qui est bon pour la planète.
Tableau 3 : avantages du système SiC
L'expertise de Wolfspeed dans le SiC
L'expérience de plus de 30 ans de Wolfspeed dans le design et le développement de composants et de systèmes SiC contribue à faire tomber les freins empêchant le recours aux composants SiC hautement enviables dans le prochain OBC. En associant la large sélection d'appareils de puissance SiC, de systèmes SiC et l'expertise de Wolfspeed, on crée des conditions favorables au développement rapide des topologies de design solides qui fonctionnent de manière fiable sur le terrain. Wolfspeed propose déjà des OBC bidirectionnels complets ainsi que des facteurs CC/CC et CA/CC individuels. Nous avons donc un OBC bidirectionnel 6,6 kW avec une efficacité système de 97 % et un OBC bidirectionnel de 22 kW avec blocs de convertisseur CC/CC et CA/CC qui peut atteindre une efficacité autour de 98,6 % (figure 5).
Figure 5 : blocs CC/CC et CA/CC pour OBC bidirectionnels 6,6 kW et 22 kW SiC de Wolfspeed
D'un portefeuille de produits complets à une prise en charge exhaustive des applications et des ingénieries avec des experts sectoriels et une plateforme industrielle en ligne, Wolfspeed fournit tous les éléments de base pour le design et le développement de systèmes SiC. Tout ceci s'étend aux OBC SiC grâce auxquels les équipementiers peuvent tirer parti des aspects hautement enviables dans leur prochain modèle tout en diminuant les coûts, en répercutant les économies sur le coût des matériaux et les efficacités sur le consommateur.