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L’électrification est un processus majeur dans le contexte de la transition mondiale vers des systèmes énergétiques durables. Au cœur de ce processus se trouve l’électronique de puissance basée sur le carbure de silicium (SiC). Le SiC est un matériau semi-conducteur à large bande interdite (WBG) qui offre des performances nettement supérieures par rapport au silicium (Si) utilisé traditionnellement dans les applications à puissance et fréquence élevées. Ce matériau est particulièrement adapté à l’électrification des transports, des systèmes industriels et des infrastructures d’énergie renouvelable.

L’avantage fondamental du SiC réside dans les propriétés du matériau, à savoir une bande interdite d’environ 3,26 eV par rapport à 1,12 eV pour le silicium. Cette large bande interdite permet aux appareils de fonctionner à des tensions, des températures et des fréquences de commutation beaucoup plus élevées. Le SiC possède également une meilleure conductivité thermique, ce qui améliore la dissipation de la chaleur et permet de concevoir des packagings plus compacts.

Enfin, l’un des avantages les plus évidents est la réduction des pertes de commutation et de conduction. Les MOSFET et diodes SiC commutent plus rapidement et avec moins de pertes d’énergie que leurs homologues au Si, ce qui rend les systèmes de conversion d’énergie plus efficients. Cela se traduit directement par une moindre consommation d’énergie et permet en outre de se dispenser plus facilement de certains composants dédiés à la gestion de la chaleur comme les dissipateurs thermiques et les systèmes de refroidissement.

Applications dans le domaine des transports

Dans les véhicules électriques (VE), l’électronique de puissance au SiC est utilisée dans les onduleurs de traction, les chargeurs embarqués et les convertisseurs CC-CC. Les onduleurs au SiC fonctionnent à des fréquences plus élevées et sont plus efficients, ce qui permet de concevoir des groupes motopropulseurs plus petits, plus légers et plus efficients qui bénéficient, par conséquent d’une plus grande autonomie et d’un temps de charge plus court.

Par exemple, remplacer un onduleur Si de 400 V par un système SiC de 800 V permet d’améliorer la densité de puissance et l’efficacité du système, ce qui réduit les pertes d’énergie globales lorsque le véhicule est en route. De plus, une conception thermique simplifiée permet un packaging plus compact et réduit le poids du système – l’encombrement et la masse étant deux facteurs clés sur le plan des performances des véhicules électriques.

Par ailleurs, la capacité des dispositifs SiC à commuter rapidement facilite la conception de groupes motopropulseurs à fréquence élevée, avec la possibilité de réduire la taille et le poids des composants passifs tels que les inducteurs et les condensateurs. Toutes ces améliorations ont non seulement pour effet d’augmenter les performances globales du véhicule, mais aussi d’en réduire le coût total de possession au fil du temps.

Utilisation des énergies industrielles et renouvelables

L’électronique de puissance au SiC fait également franchir un nouveau cap aux systèmes de conversion de puissance utilisés dans les dispositifs d’entraînement de moteurs industriels, aux onduleurs à énergie solaire et aux systèmes de stockage d’énergie. L’utilisation du SiC dans les applications photovoltaïques (PV) permet d’utiliser des onduleurs plus petits et plus efficients qui peuvent être installés au plus près des panneaux afin de réduire les pertes à un minimum tout en simplifiant l’architecture du système.

Les convertisseurs au SiC offrent une commutation plus rapide, un flux d’énergie bidirectionnel et une énergie de meilleure qualité dans les dispositifs de stockage d’énergie ainsi que dans les onduleurs connectés au réseau. Une efficience accrue, combinée à moindre besoin de refroidissement, entraîne une baisse des coûts d’exploitation tout en renforçant la fiabilité des systèmes.

Dans l’automatisation industrielle, le SiC contribue à améliorer les performances et l’efficience des variateurs de vitesse et des alimentations haute tension. La productivité s’en voit améliorée avec une réduction des temps d’arrêt et davantage d’économies d’énergie.

Les topologies d’alimentation isolées pour modules d’E/S pour API

Pour les concepteurs de modules d’E/S pour automates programmables industriels (API) ou d’autres applications industrielles à faible consommation d’énergie, il est indispensable de disposer d’une conception fiable afin de s’assurer que les circuits qu’ils conçoivent soient en mesure de fonctionner correctement et en toute sécurité dans des conditions aussi difficiles que celle d’un environnement industriel. Les convertisseurs de puissance isolés sont fréquemment utilisés dans de telles applications, entre autres pour :

• éviter l’apparition de boucles de masse et, le cas échéant, les rompre ;
• éviter le couplage entre canaux ou modules adjacents ;
• assurer la sécurité électrique.

Le SN6507 de Texas Instruments est un circuit d’attaque push-pull haute tension et haute fréquence pour transformateurs capable de fournir du courant isolé dans un format compact. Il offre tous les avantages de la topologie push-pull : simplicité, faibles interférences électromagnétiques (EMI) et annulation de flux pour éviter la saturation du transformateur. Le contrôle de cycle de service permet un gain de place supplémentaire en réduisant le nombre de composants pour les larges plages d’entrée. En sélectionnant une fréquence de commutation élevée, il est ainsi possible de réduire la taille du transformateur.

Ce dispositif intègre un contrôleur et deux commutateurs d’alimentation NMOS de 0,5 A qui commutent hors phase. Sa plage de fonctionnement d’entrée est programmée avec un système de verrouillage contre les sous-tensions (UVLO) de précision. Le circuit d’attaque est également doté de nombreux dispositifs de protection contre les défaillances avec un système de protection contre les surintensités (OCP), un système réglable de verrouillage contre les sous-tensions (UVLO), un système de verrouillage contre les surtensions (OVLO),ainsi qu’un dispositif d’arrêt thermique (TSD) et un circuit sans chevauchement.

Le démarrage progressif programmable Soft Start réduit à un minimum les courants d’appel et permet le séquençage de l’alimentation électrique pour les mises sous tension critiques. L’horloge à spectre étalé (SSC) et le contrôle de la vitesse de balayage configurable par broches (SRC) réduisent quant à eux les émissions rayonnées et conduites pour des EMI ultra-faibles.

Ce sont ces mêmes circuits d’attaque que l’on retrouve dans les transformateurs push-pull WE-PPTI de Würth Elektronik, avec une tension d’isolement élevée de 2,5 kV. Les transformateurs WE-PP associés aux circuits d’attaque SN6505 de Texas Instruments présentent une plage de fréquences s’étendant de 120 kHz à 480 kHz et un courant nominal de 1 A. Les circuits d’attaque push-pull SN6501 ont été spécialement conçus pour équiper les petits transformateurs couramment utilisés, par exemple, dans des interfaces isolées ou des LAN à basse consommation.

Würth Elektronik n’en reste pas là, puisqu’il propose également le kit de développement SN6507. Ce kit offre la possibilité de tester et d’évaluer les performances d’une alimentation auxiliaire push-pull dans différentes configurations.

Il se compose de deux cartes : l’une est fixe (650796) est affiche 24 V _{en entrée} et 15 V _{en sortie} associée au transformateur 750319696 ; l’autre est configurable (650700) et a été conçue pour répondre à diverses exigences en matière d’application puisqu’elle offre aux utilisateurs la possibilité de choisir entre 16 transformateurs différents, tous inclus dans le kit.

Sa mission première est toutefois de servir à évaluer le SN6507 utilisé dans diverses applications comme des variateurs de vitesse, des alimentations isolées pour protocoles de communication (CAN, RS-485, RS-422, RS-232, SPI, I²C), des instruments médicaux, des onduleurs solaires et des systèmes d’automatisation.

Ces SN6507 sont de tous petits transformateurs push-pull avec des entrées 12 V et 24 V et capables de fonctionner dans une plage de températures étendue de -40°C à +125°C.

Un avenir durable pour l’électricité

Malgré ses avantages, l’adoption de l’électronique de puissance au SiC comporte son lot de défis, à commencer par le fait que la fabrication de wafers de SiC est plus complexe et plus coûteuse que celle du silicium. Cependant, les progrès récents réalisés dans les domaines de la cristallogenèse, des procédés de fabrication des appareils électriques et de la rationalisation de la chaîne d’approvisionnement ont permis un rapide gain d’efficacité tout en réduisant les coûts. L’électronique de puissance basée sur le carbure de silicium n’en est pas moins une technologie transformative pour l’électrification des systèmes énergétiques et des systèmes de transport modernes. L’efficience élevée, la compacité et les performances thermiques de ces dispositifs électroniques ouvrent la voie à davantage de flexibilité sur le plan de la conception. Avec un processus de production mûr et un prix en baisse, le carbure de silicium soutient la transition vers un monde plus électrifié, plus économe en énergie et plus durable.