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Avis d'expert

L'électronique monte en puissance

Avec la multiplication des appareils électroniques dans notre quotidien, la gestion de l’énergie de ces dispositifs est devenue fondamentale. Les travaux sur l’amélioration du rendement énergétique des convertisseurs et des composants ouvrent des perspectives.

Dans une société de plus en plus friande d’innovations, l’énergie – sa production comme sa préservation – est devenue un enjeu majeur. L’homme ne cesse, en effet, d’inventer des machines énergétiquement gourmandes. Les énergies fossiles comme le pétrole, le gaz et le charbon restent les principales sources, soit 80 % de nos besoins, mais contribuent aussi à générer plus de gaz à effet de serre, responsables du réchauffement climatique. Soutenue par l’augmentation de la population, la taille des villes de plus en plus grande et le développement effréné du monde numérique, qui consomme toujours plus d’énergie électrique pour stocker et échanger les données dans les serveurs et datacenters, la demande en électricité connaît une hausse rapide. Celle-ci croît régulièrement et augmentera de 50 % entre 2015 et 2030. Dans le même temps, on cherche à stabiliser les émissions de gaz carbonique, ce qui est très compliqué, tant la vitesse avec laquelle les énergies non émettrices de gaz à effet de serre (éolien, photovoltaïque, hydraulique mais aussi nucléaire) qui se développent est lente.

1. Enjeux : Une conversion maîtrisée

Certes, il faut développer les énergies renouvelables, promouvoir l’électrique afin de réduire l’impact carbone (mobilité électrique), mais il est aussi possible d’améliorer l’efficacité énergétique des systèmes de conversion d’énergie. En effet, chaque fois que nous transformons notre énergie électrique d’une tension alternative vers une tension continue ou inversement, nous perdons de l’énergie sous forme de chaleur, c’est l’effet joule ! Prenons l’exemple des alimentations électriques ou des chargeurs de nos équipements électriques quotidiens, un ordinateur classique alimenté par un chargeur de 100 W va dissiper 20 W en chaleur, ou au mieux 10 W, car l’efficacité avec la technologie classique silicium est de 80-90 % maximum. Il suffit de multiplier par les milliards de chargeurs d’ordinateur pour vite comprendre le gaspillage énergétique. La croissance des besoins en énergie électrique, liée aux enjeux du numérique et de la transition écologique, dope le marché de l’électronique de puissance.

Les brevets déposés sur les technologies et les dispositifs en électronique de puissance ont connu une forte augmentation ces dix dernières années. La Chine, avec les précautions d’usage, est devenue la première zone de compétences notamment via l’opérateur public State Grid Corporation of China. Pour autant, c’est en Europe que nous rencontrons les grands groupes privés fortement impliqués dans le développement de dispositifs en électronique de puissance comme ABB, Semikron Electronik GmbH, Alstom, Siemens et l’équipementier automobile français Valeo. Les applications majeures sont observées dans les moyens de propulsion de véhicules et les dispositifs d’échange ou de transfert d’énergie. Cette donne associée à des nouvelles technologies ouvre des perspectives de marché pour l’électronique de puissance (fig. 1). C’est le secteur de l’automobile, avec l’avènement du véhicule électrique, qui se propulse au premier rang avec une croissance annuelle de plus de 5 %. Le stockage de données et la puissance de calcul intègrent de plus en plus de convertisseurs AC-DC pour assurer l’alimentation électrique des serveurs. Enfin, l’industrie poursuit une croissance soutenue avec des applications domotiques (prises connectées, systèmes de contrôle à distance…) qui affichent une progression d’environ 3 %.

2. Moyens : Les technologies à développer

La technologie qui domine actuellement est le silicium : 98 % des composants de l’électronique de puissance sur un marché de 15 milliards sont en silicium. De nouvelles technologies doivent être mises au point pour réduire la consommation d’énergie des systèmes. Celles dites « grand gap » (semiconducteurs à large bande) commencent à émerger, après plus de quinze ans de développement. Elles permettent de repousser les limites des semiconducteurs de puissance en fournissant une meilleure efficacité énergétique aux systèmes. Objectif : miniaturiser les convertisseurs, augmenter l’efficacité énergétique tout en réduisant les coûts. L’automobile avec les véhicules électriques et l’industrie avec les commandes moteurs et les alimentations de puissance représentent les principaux vecteurs de croissance. Le nitrure de gallium sur silicium est l’un de ces semiconducteurs à large bande. Compatible CMOS sur plaquettes en silicium 200 mm, il permet de répondre à ces enjeux pour toutes les applications de « moyenne puissance » et pour des tensions entre 100 et 1 200 V. Au-delà de 1 200 V, c’est un autre semiconducteur « grand gap » qui prédominera : le carbure de silicium (SiC) (fig. 2). En effet, il est taillé pour supporter de grandes tensions et capable de commuter de très forts courants (plusieurs centaines d’ampères).

Les propriétés intrinsèques des matériaux « grand gap » SiC et GaN permettent ainsi de réaliser des composants jusqu’à 100 fois plus performants que leur équivalent en silicium lorsque l’on se positionne sur des gammes de tensions > 100 V. Il convient également d’apporter un éclairage comparatif en termes d’amélioration de la performance énergétique, de réduction des dimensions et des coûts au niveau « système ». En ce qui concerne l’amélioration du rapport performance/coût, il faut distinguer la contribution de la technologie choisie et le système de conversion. Le convertisseur ne constitue pas seulement le composant actif mais il comprend également des composants passifs (capacités, inductances, transformateurs, résistances…). Il y a donc un impact global à quantifier, du point de vue de l’assemblage pour la performance et aussi du coût du système pour être compatible avec le prix du marché. En quarante ans, la technologie silicium a progressé jusqu’à offrir au concepteur de systèmes de conversion des nouvelles briques de composants toujours plus performants : transistor bipolaire, MOS, IGBT. Et, à chaque étape, on a associé le composant à une architecture système plus adaptée pour améliorer l’efficacité énergétique et ce, passant de 40 % en 1977 à 90 % en 2017 ! Pour atteindre 96-98 % d’efficacité, il est indispensable d’étudier de nouvelles technologies et de nouveaux convertisseurs de puissance comme la technologie du semiconducteur « grand gap » SiC ou GaN/Si et le convertisseur à découpage haute fréquence (fig. 3).

En 2016, le Google challenge avait permis de démontrer l’efficacité du GaN mis en œuvre dans une architecture adaptée : un convertisseur 20 fois plus petit qu’avec du silicium ! Pour les moyennes tensions de 100 V à 1 200 V, le GaN/Si présente le meilleur rapport performance/coût. En effet, étant compatible avec la technologie CMOS traditionnelle et déposé par épitaxie sur un wafer de silicium, son coût de production sera égal à celui du silicium, soit trois fois moins cher à produire que son concurrent, le SiC. Par ailleurs, grâce à un fonctionnement à haute[…]

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