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Techniques

Une technologie énergétique innovante est la clé d’un avenir plus durable

Par Peter Lieberwirth, Vice-Président Marketing & Opérations, Toshiba Electronics Europe GmbH

Publication: 3 février

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Face à une population mondiale croissante qui devient sans aucun doute de plus en plus dépendante des équipements électroniques, la consommation annuelle mondiale d’électricité reste à des niveaux inacceptables...
 

Cette situation met à rude épreuve les ressources énergétiques disponibles (en particulier les réserves de pétrole déjà presque épuisées) et a aussi un impact important sur l’environnement (à cause des émissions de gaz à effet de serre, etc.). Par conséquent, il faut s’attacher à rendre notre société plus consciente de ses actes, et à trouver des moyens d’éviter que notre consommation d’énergie ne cause des dommages irrévocables à la planète. Le déploiement généralisé de sites de production d’énergie renouvelable et l’électrification des véhicules sont deux des principales initiatives dans ce sens.

Dans les années à venir, l’adoption des véhicules électriques (VE) devrait être multipliée par 10 par rapport au niveau d’aujourd’hui. Par exemple, l’Union européenne (UE) a comme objectif d’avoir plus de 30 millions de VE pour le transport de passagers sur ses routes, d’ici la fin de la décennie. Il y a plusieurs raisons à cela. Tout d’abord, les investissements importants que les gouvernements et les entreprises privées réalisent dans les infrastructures de recharge permettent au public d’être plus confiant pour remplacer leurs voitures traditionnelles à moteur thermique par des VE. Il y a actuellement environ 250 000 points de charge en service sur le continent européen, et ce chiffre continue d’augmenter. Les deux autres raisons pour lesquelles l’adoption des VE va augmenter sont l’extension de l’autonomie de ces véhicules et la rapidité avec laquelle ils peuvent être rechargés, procurant ainsi un plus grand confort aux utilisateurs.

Ailleurs, il s’agit d’améliorer l’efficacité opérationnelle et d’éliminer les pertes d’énergie, ce qui est tout aussi important. Plus la proportion d’énergie solaire et éolienne transformée en électricité sera importante, plus les sites de production d’énergie renouvelable seront efficaces. Il faut donc s’efforcer d’améliorer la conception des onduleurs utilisés. Les moteurs électriques et les variateurs de vitesse industriels doivent pouvoir fonctionner avec le moins de pertes possible. Pour y parvenir, il faut qu’ils utilisent des algorithmes de contrôle plus sophistiqués.

De nouveaux défis nécessitent de nouvelles tactiques

Les exigences imposées par les véhicules électriques, les variateurs de vitesse industriels et les énergies renouvelables nécessitent une innovation permanente des systèmes énergétiques. L’avènement des technologies à large bande interdite (WBG) a joué un rôle essentiel en permettant d’atteindre de nouveaux records en matière de performances, tout en réduisant la taille globale des systèmes (puisque des composants passifs périphériques plus petits peuvent être utilisés). L’utilisation de carbure de silicium (SiC) plutôt que de silicium (Si), par exemple, a permis d’obtenir des vitesses de commutation beaucoup plus rapides. Par conséquent, les rendements de conversion d’énergie peuvent être améliorés de façon spectaculaire. Les MOSFET SiC remplacent désormais les IGBT Si encombrants, avec une réduction sensible des pertes à l’allumage et à l’extinction. On en voit les avantages dans les convertisseurs CC/CC utilisés dans les véhicules électriques et les systèmes d’énergie renouvelable.

De même, les densités de puissance plus élevées qu’offrent les modules MOSFET SiC permettent de rendre les onduleurs d’énergies renouvelables, les variateurs de vitesse industriels et les systèmes de commande de moteurs beaucoup plus compacts, tout en offrant un meilleur rendement énergétique. Ces modules sont capables de travailler à des températures plus élevées que leurs homologues en silicium, ce qui présente également des avantages en termes de fiabilité.

Des avancées technologiques doivent être réalisées à tous les niveaux de la conception des systèmes de puissance si l’on veut réaliser les améliorations nécessaires pour garantir la durabilité à long terme. Il s’agira notamment des processus semi-conducteurs utilisés, du matériel de développement accompagnant les dispositifs de puissance et de commande moteur, et de la manière dont les développements système sont abordés. Les concepteurs auront besoin d’une assistance complète s’ils veulent atteindre leurs objectifs de rendement ambitieux. Des cartes d’évaluation les aideront à vérifier les paramètres des dispositifs qu’ils veulent sélectionner pour leurs conceptions, et aussi à accélérer le travail de prototypage. L’accès aux conceptions de référence peut s’avérer inestimable pour les concepteurs qui cherchent à remplacer leurs composants existants à base de silicium par des alternatives WBG plus performantes.

Rôle de Toshiba dans la conception de systèmes de puissance de nouvelle génération

Toshiba a toujours été un pionnier dans le secteur des semi-conducteurs de puissance, et l’entreprise continue de réaffirmer son engagement dans ce domaine par des investissements financiers de grande envergure. Deux exemples récents qui méritent d’être mentionnés sont l’annonce, au printemps dernier, que le site de production de Kaga au Japon, établi de longue date et qui emploie actuellement près de 1 000 personnes, serait modernisé pour accueillir une ligne de fabrication de wafers de 300 mm, en plus de la ligne existante en 200 mm. La nouvelle ligne sera consacrée à la production de composants de puissance discrets avancés.

Plus récemment, Toshiba a confirmé qu’il allait mettre en place un laboratoire dédié à la haute tension, ici en Europe. Situé sur son campus de Düsseldorf, ce laboratoire permettra à l’entreprise de renforcer ses capacités d’ingénierie locales, afin de répondre aux exigences techniques élevées de son catalogue de produits haute tension, qui est en pleine expansion. Cela signifie que les besoins de la clientèle pourront être traités plus rapidement et de manière plus efficace par des ingénieurs installés à proximité, en effectuant des simulations et des évaluations d’applications réelles, afin de surmonter les défis techniques et de formuler des solutions efficaces. Le laboratoire sera doté d’équipements de pointe pour la mesure et l’analyse de puissance, et emploiera plusieurs ingénieurs experts. Il devrait commencer à fonctionner en octobre prochain, avec une expansion progressive des opérations au cours des deux prochaines années.

Innovation produit

Les derniers-nés de la famille de microcontrôleurs (MCU) M4K de Toshiba, qui comportent chacun un coeur ARM® Cortex®-M4 32 bits avec unité à virgule flottante (FPU), sont capables d’améliorer la commande de moteurs. La technologie de commande vectorielle avancée (A-VE+) qu’intègrent les nouveaux dispositifs TXZ+ signifie que ceux-ci sont parfaitement adaptés à la commande vectorielle (FOC) de moteurs à courant alternatif ou à courant continu sans balais (BLDC), ainsi que de servomoteurs.

Le MOSFET TPHR7404PU récemment annoncé dispose d’une capacité de réduction des pics de tension, qui atténue les effets d’overshoot de commutation. Ce MOSFET de puissance canal-N discret fait appel au processus exclusif U-MOSIX-H de Toshiba. Il est extrêmement bien adapté au redressement synchrone secondaire dans les alimentations à découpage, et permet une réduction notable des parasites électromagnétiques (EMI).

Le design de référence du circuit de correction de facteur de puissance (PFC) à entrée triphasée 400 VCA a été développé pour faciliter la mise en oeuvre de l’infrastructure de charge des VE, et pour faciliter la transition de dispositifs Si vers des dispositifs WBG offrant des rendements plus élevés. Il fait appel au MOSFET SiC TW070J120B et au driver de grille TLP5214A de la société, et à un design de type totem pole triphasé bridgeless. Avec une tension de sortie pouvant atteindre 750 VDC, il convient parfaitement aux niveaux de tension élevés qu’exige aujourd’hui la recharge des VE. Un rendement de conversion de 97% et un facteur de puissance de 0,99 peuvent être obtenus.

Grâce au design de référence CC/CC bidirectionnel de la société, on peut créer un système de charge permettant aussi au réseau électrique d’utiliser l’énergie stockée dans les batteries aux heures de pointe. Le système repose sur le MOSFET SiC TW070J120B, et sur des drivers de grille TLP5214A, avec un MOSFET Si canal-N TK49N65W5 côté basse tension. Ce design de référence est capable de fournir 5 kW de puissance dans les deux sens. Des mécanismes de protection contre les surintensités et de verrouillage en cas de tension insuffisante sont inclus pour garantir la sécurité.

Grâce à sa collaboration avec le fabricant de matériel de développement MikroElektronika, Toshiba est en mesure de proposer aux ingénieurs une série de Click boards™ pour les aider à créer des systèmes de commande moteur à haut rendement. La carte Click DC MOTOR 14 est une solution de type hacheur à modulation de largeur d’impulsion (PWM) permettant de piloter des moteurs DC à balais, avec rotation dans les deux sens. Le coeur de cette carte est le CI driver TB67H450FNG, qui offre un courant maximal de 3,5 A. Les MOSFET à faible résistance à l’état passant et la fonctionnalité PWM permettent d’obtenir une commande moteur efficace, avec un échauffement minimal.

De nombreux obstacles doivent encore être surmontés si nous voulons adapter notre consommation d’électricité aux ressources disponibles et construire une société ayant moins d’effets néfastes sur l’environnement. Toutefois, grâce aux progrès réalisés en permanence, nous pouvons être optimistes quant à la possibilité d’y parvenir.

https://toshiba.semicon-storage.com/

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