Les fabricants et les consommateurs cherchent à se défaire de leur dépendance aux énergies fossiles, ce qui rend les solutions délectrification très prisées. Cela est crucial pour protéger lenvironnement, limiter la pollution et freiner la tendance destructrice du réchauffement climatique. Les véhicules électriques (VE) gagnent en popularité dans le monde entier, et de nombreuses entreprises sefforcent de convertir les véhicules commerciaux et agricoles (VCA) à la propulsion électrique.

Cependant, cette transition entraîne une croissance rapide de la demande en énergie électrique, ce qui exerce une pression considérable sur le réseau électrique. Bien que très efficaces, les véhicules électriques, les centres de données, les pompes à chaleur et autres applications nécessitent encore beaucoup dénergie pour fonctionner.

Les nouvelles énergies renouvelables comme lénergie solaire, éolienne et marémotrice sont largement adoptées et deviennent progressivement la norme. Seules les applications utilisant exclusivement des énergies renouvelables peuvent être considérées comme véritablement « propres ».

Le marché de lénergie solaire sest développé depuis de nombreuses années et est relativement mature. Selon un rapport de Fortune Business Insights, la taille actuelle du marché solaire est estimée à 273 milliards de dollars et devrait atteindre 436 milliards de dollars dici 2032. En 2023, le marché nord-américain de lénergie solaire représentait plus de 40 % du total mondial.

Défis de conversion de puissance dans les applications dénergie renouvelable

La production dénergie solaire augmente rapidement. Selon lAgence internationale de lénergie (AIE), en 2022, la production délectricité solaire a augmenté de 26 % par rapport à lannée précédente, atteignant 1 300 TWh. Cela marque le dépassement de lénergie éolienne par lénergie solaire, qui devient la principale source délectricité renouvelable.

Les panneaux solaires photovoltaïques (PV) produisent du courant continu (CC), tandis que le réseau nécessite du courant alternatif (CA). Par conséquent, les onduleurs centraux photovoltaïques sont indispensables pour les grandes installations connectées au réseau. Toute lénergie produite par les panneaux PV passe par londuleur, ce qui rend son efficacité cruciale. Bien que lénergie solaire soit inépuisable, une faible efficacité de conversion limite lénergie réellement injectée dans le réseau. Lénergie perdue se transforme en chaleur, ce qui constitue un défi majeur, car de nombreuses installations solaires sont situées dans des environnements ensoleillés et chauds, comme les déserts.

Le coût est également un facteur très important, impactant directement les factures délectricité des consommateurs et la rentabilité des compagnies délectricité. Pour atteindre des puissances plus élevées, de nombreux onduleurs centraux utilisent plusieurs modules de conversion en parallèle, le nombre dépendant de la puissance nominale de chaque module. Plus la capacité de puissance de chaque module est élevée, moins il en faut, ce qui réduit les coûts.

Bien que les véhicules électriques aient fait des progrès considérables, les VCA avancent encore lentement vers la propulsion électrique. Les VCA sont plus gros, consomment plus de carburant et produisent plus démissions par trajet. Bien quils ne représentent que 2 % du parc automobile mondial, leurs émissions de gaz à effet de serre représentent 28 % des émissions totales du secteur des transports. Bien que lélectrification des véhicules commerciaux de transport de passagers (comme les bus) ait commencé à porter ses fruits, la plupart des grands camions, engins de chantier et véhicules agricoles (comme les tracteurs) dépendent encore du diesel. La situation commence à changer. Pour répondre aux réglementations strictes sur les émissions nulles dans des marchés mondiaux comme lUnion européenne, la Chine et la Californie, on prévoit que dici 2030, la part des camions électriques (purs et hybrides) dans les ventes passera de 5 % actuellement à 40-50 %.

Comparés aux véhicules commerciaux à carburant fossile, les véhicules commerciaux électriques ont une structure plus simple et moins de pièces mobiles. À capacité de charge égale, ils sont plus compacts, plus fiables et ont des coûts de maintenance inférieurs. Actuellement, la baisse significative du coût des batteries rend le coût total de possession des VCA électriques inférieur à celui des véhicules à moteur à combustion interne (MCI).

Comme pour les applications solaires, lefficacité est une exigence clé pour les VCA électriques. La batterie de chaque véhicule a une capacité limitée ; plus lefficacité de conversion dans londuleur est élevée, plus lautonomie du véhicule est grande, ou moins dénergie est nécessaire pour parcourir la même distance.

Étant donné notre dépendance future à lénergie solaire et aux VCA électriques, la fiabilité devient naturellement très importante.

Technologies de puissance avancées pour les applications donduleurs

Dans les applications de haute puissance comme les onduleurs solaires photovoltaïques triphasés, le convertisseur à trois niveaux à point neutre actif (ANPC) est une topologie courante. Cette topologie multi-niveaux est spécialement conçue pour améliorer les performances et lefficacité du système.

Le convertisseur à point neutre (NPC) ordinaire utilise des diodes pour connecter le point neutre du condensateur de liaison CC à la sortie. Dans la configuration ANPC (Figure 1), la commutation est effectuée par des interrupteurs, ce qui permet un meilleur contrôle, une réduction des pertes par commutation et une amélioration de lefficacité, et réduit ainsi le besoin de solutions de refroidissement, contribuant à des solutions plus petites et moins coûteuses.

La disposition de la topologie réduit la contrainte de tension sur chaque interrupteur, augmentant ainsi la fiabilité. De plus, lANPC permet dobtenir des formes donde favorables pour le réseau.

Figure 1 : Construction facile dun convertisseur ANPC à laide de modules

Les ingénieurs concepteurs peuvent créer un module ANPC à trois niveaux haute performance en parallélisant plusieurs modules de puissance, comme les modules IGBT QDual 3 donsemi, avec une puissance de sortie système allant jusquà 1,6 MW à 1,8 MW.

Figure 2 : Module IGBT QDual3

Le module QDual 3 intègre une nouvelle génération de technologie IGBT 1200 V à champ coupé 7 (FS7) et de diodes, offrant des performances supérieures pour les applications de haute puissance. Par rapport aux générations précédentes, la technologie FS7 améliore considérablement les pertes de conduction.

Figure 3 : La technologie FS7 améliore les paramètres de performance clés

Dans le procédé IGBT FS7, la faible largeur de tranchée apporte une faible VCE(SAT) et une densité de puissance élevée, tandis que linjection multiple de protons assure une robustesse et des caractéristiques de commutation douces (Figure 2). Les dispositifs FS7 à vitesse moyenne donsemi ont une VCE(SAT) aussi basse que 1,65 V, adaptés aux applications de contrôle de mouvement ; tandis que ses produits FS7 rapides ont un EOFF de seulement 57 µJ/A, idéal pour les applications haute puissance comme les onduleurs solaires et les VCA.

Figure 4 : Les IGBT FS7 ont une taille plus petite et une densité de puissance plus élevée

La technologie innovante FS7 permet de réduire la taille des puces dans les nouveaux modules QDual3 de 30 % par rapport à la génération précédente (Figure 3). Cette miniaturisation, combinée à un packaging avancé, peut augmenter considérablement le courant nominal maximum. Dans les applications de contrôle de moteur fonctionnant à des températures allant jusquà 150 degrés Celsius, la puissance de sortie du QDual3 est de 100 kW à 340 kW, soit environ 12 % de plus que les autres produits actuellement sur le marché.

La fiabilité est cruciale pour les applications solaires et VCA, donc la manière dont les modules sont construits et testés est essentielle. Par exemple, de nombreuses solutions similaires utilisent le câblage par fils pour fixer les bornes, tandis quonsemi choisit le soudage par ultrasons pour les modules. Cette dernière méthode améliore la capacité de transport de courant, offre un meilleur chemin de dissipation thermique et est plus robuste que la première (Figure 4).

Figure 5 : Le soudage par ultrasons réduit la température et améliore la fiabilité

Cette méthode augmente la conductivité, réduisant ainsi les pertes électriques et améliorant lefficacité. Elle abaisse également la température de fonctionnement, renforce la rigidité mécanique et améliore la fiabilité globale du module.

La nouvelle technologie haute puissance QDual3 donsemi

Le module IGBT demi-pont QDual 3 dédié NXH800H120L7QDSG est adapté aux onduleurs solaires centraux, aux systèmes de stockage dénergie (SSE) et aux alimentations sans interruption (ASI) ; tandis que le SNXH800H120L7QDSG est destiné aux VCA. Ces deux dispositifs sont basés sur la technologie FS7, avec une VCE(SAT) et un EOFF améliorés, réduisant les pertes et augmentant lefficacité énergétique.

Actuellement, pour concevoir un onduleur de 1,725 MW avec une architecture ANPC/INPC utilisant des modules IGBT de 600 A, un total de 36 modules serait nécessaire. Cependant, avec les nouveaux NXH800H120L7QDSG et SNXH800H120L7QDSG ayant un courant nominal de fonctionnement de 800 A, le nombre de modules nécessaires à la conception serait réduit de 9. En conséquence, la taille, le poids et le coût de la conception seraient réduits de 25 %. Cela est très précieux pour les applications solaires et VCA, car la réduction de poids et lamélioration de lefficacité augmentent lautonomie des véhicules.

Figure 6 : Une capacité de courant plus élevée permet dutiliser moins de modules pour construire le système

Ces modules incluent un substrat isolé pour la gestion thermique et une thermistance NTC intégrée, et prennent en charge le montage direct sur PCB via des broches soudables, avec une disposition standard de lindustrie, facilitant la mise à niveau des conceptions existantes vers la nouvelle technologie QDual3.

Tous les modules QDual3 donsemi sont soumis à des tests de fiabilité rigoureux, dépassant le niveau de fiabilité des autres dispositifs similaires sur le marché. Notre test dhumidité exige que le produit résiste à une tension de polarisation de 960 V pendant 2000 heures, tandis que les dispositifs similaires ne nécessitent quune tension de polarisation de 80 V pendant 1000 heures. Les tests de vibration sont essentiels pour les applications VCA ; nos produits sont testés à 30 G crête/10G RMS pendant 22 heures, répondant aux exigences AQG324. Dautres dispositifs sont testés à des niveaux de vibration aussi bas que 5 G pendant seulement 1 heure.

Résumé

Lutilisation des énergies renouvelables augmente dans le monde entier, et le réseau électrique est sous une pression énorme. Lénergie solaire est déjà mature et a dépassé lénergie éolienne en 2022 pour devenir la principale source délectricité renouvelable.

Bien que les véhicules à carburant fossile restent une source majeure de pollution, lélectrification des VCA progresse régulièrement et commence à porter ses fruits.

Les nouvelles technologies semi-conductrices comme le FS7 donsemi permettent de développer des dispositifs à haute puissance et faibles pertes pour répondre aux besoins defficacité et de fiabilité de ces domaines. Basés sur cette technologie, les nouveaux dispositifs QDual3 donsemi offrent une densité de puissance élevée et une excellente efficacité énergétique dans un boîtier compact. Des bornes bien soudées et des tests de certification dépassant ceux des autres dispositifs de lindustrie garantissent la robustesse des dispositifs QDual3.

Les nouveaux modules NXH800H120L7QDSG et SNXH800H120L7QDSG de nouvelle génération ont une capacité de courant allant jusquà 800 A, ce qui permet de réduire de 25 % le nombre de modules nécessaires à la conception de londuleur, simplifiant ainsi davantage la conception, réduisant son volume, sa masse et son coût.

Il sagit sans aucun doute dune avancée majeure, et onsemi continue dexplorer le potentiel de haute performance de la technologie FS7, cherchant à introduire davantage de modules dépassant les normes actuelles pour répondre aux besoins croissants de lindustrie solaire et des fabricants de VCA.