Les composants "grand gap" au service de la conversion de puissance

Une consommation électrique croissante

Le développement des sources et consommateurs électriques implique de meilleures performances des convertisseurs de puissance. Des composants innovants comme le nitrure de gallium (GaN), issu de la famille des semi-conducteurs "grand gap", se positionnent comme solutions répondant à ce besoin de performance accrue. 

La consommation électrique ne cesse d'augmenter de par le développement des : 

• Moyens de transport électriques 
• Fermes de panneaux solaires ou éoliennes
• Datacenters et outils numériques
• Equipements et machineries électriques 

L'efficacité des systèmes électriques devient donc un enjeu majeur, considérant l'équilibre entre : 

• Les performances (majoritairement le rendement et la densité de puissance)
• Les coûts

La prise en compte de ces critères représente nécessairement une contrainte sur l'élaboration de l'architecture des convertisseurs DC/DC et le choix des composants de puissance (actifs ou passifs). 

Evolution de la technologie des composants 

Afin de permettre l'amélioration de ces performances, des recherches sont menées sur les matériaux et technologies utilisées pour les composants de puissance.  

Les semi-conducteurs "grand gap", tels que le carbure de silicium (SiC) ou le nitrure de gallium (GaN), permettent le développement de transistors de puissance permettant des performances au-delà des standards actuels de type MOSFET ou IGBT car permettant : 

• Réduire significativement la taille des convertisseurs DC/DC
• Atteindre des performances de conversion élevées (rendement)

L’aptitude des composants grand gap à commuter beaucoup plus vite, plus souvent et à plus haute fréquence que les technologies précédentes, permet une augmentation drastique de la densité de puissance des convertisseurs d’énergie à la fois par la réduction de la taille des magnétiques et par la simplification du système de refroidissement. 

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.