Pour beaucoup d'entre nous, Albert Einstein a influencé notre destin, et je ne peux l'évoquer sans le citer – c'est aussi ma propre devise : « L'important est de ne jamais cesser de se poser des questions. La curiosité a sa propre raison d'être. » C'est pourquoi, depuis plus de 120 ans, les concepteurs de systèmes énergétiques accomplissent des miracles et continueront de repousser les limites apparemment infranchissables.

Passion et curiosité pour la découverte :
ce qui pousse un jeune à étudier l’électronique de puissance dépend de nombreux facteurs. Personnellement, j’ai été marqué par la lumière bleue émise par une paire de thyratrons [1] lorsque, en 1974, alors que j’étais étudiant, j’ai visité le Palais de la Découverte à Paris et rencontré un ingénieur de recherche qui, partageant sa passion pour l’électronique, m’a expliqué comment cette technologie allait révolutionner notre avenir. C’était tout simplement fascinant, et c’est sans doute ce jour-là que ma curiosité pour la découverte est née !
Pour beaucoup de jeunes ingénieurs, le mot « thyratron » évoque peut-être une époque où les dinosaures peuplaient encore la Terre, mais pour l’industrie de l’électronique de puissance, il s’agissait d’un progrès considérable (Figure 1).
Il convient également de rappeler qu’au même moment où l’électronique de puissance déployait les tubes à vide, en 1926, l’inventeur Julius Edgar Lilienfeld brevetait le principe de ce que l’on appelle aujourd’hui le transistor à effet de champ. Dans son brevet intitulé « Procédé et appareil de contrôle des courants électriques », il proposait une structure à trois électrodes utilisant un matériau semi-conducteur à base de sulfure de cuivre. Les recherches de Julius Edgar étaient très intéressantes, mais comme beaucoup d'ingénieurs chercheurs passionnés, il n'a pas saisi l'importance de publier et de diffuser ses résultats. De ce fait, sa découverte est devenue un sujet de débat au sein de la communauté scientifique et, par conséquent, n'a reçu que peu de reconnaissance.
Il convient ici de mentionner l'importance des recherches menées pour remplacer les tubes à vide par des dispositifs plus petits, plus efficaces et plus faciles à contrôler. Il est donc pertinent et juste de mentionner Russell Ohl, qui, en 1930, a expérimenté l'utilisation de redresseurs au silicium comme détecteurs radar. Cette découverte a été suivie d'une demande de brevet pour le principe photovoltaïque (brevet américain n° 2 402 662), mais la découverte d'Ohl a jeté les bases de ce qui allait devenir le transistor.
En 1947, John Bardeen et Walter Brattain expérimentèrent le premier amplificateur à semi-conducteurs, dont ils firent la démonstration le 23 décembre au groupe de physique du solide des laboratoires Bell. Cette présentation confidentielle fut suivie, le 17 juin 1948, de l'annonce publique du dépôt d'un brevet (n° 2 524 035), puis, quelques semaines plus tard, lors d'une conférence de presse à New York le 30 juin, de l'annonce du « transistor » par l'ingénieur électricien John Pierce. Nous connaissons tous cette histoire et avons vu la couverture du numéro de septembre 1948 du magazine « Electronics ».

Des tubes à vide au silicium :
L'invention du transistor a constitué une véritable révolution, intégrée aux appareils grand public dès le début des années 1950, comme par exemple les radios à transistors (1954, la Regency TR-1 aux États-Unis ; 1955, la Sony TR-52 au Japon). Les transistors au germanium sont devenus la norme, et les ingénieurs en électronique de puissance ont commencé à développer des solutions d'alimentation basées sur cette technologie. Parallèlement, la demande croissante de machines plus rapides de la part de la communauté informatique a stimulé le développement d'une nouvelle génération de transistors au silicium. En juillet 1961, Fairchild Semiconductor a lancé le premier transistor NPN au silicium surpassant la vitesse des transistors au germanium : le 2N709.
Le lancement du transistor au silicium a accéléré le développement de l'électronique de puissance moderne, et ce que nous appelons aujourd'hui les alimentations « à régulation linéaire » (transformateur AC/AC, redresseur, étage régulateur analogique) a remplacé les tubes à vide. Parallèlement, la conquête spatiale et l'objectif d'envoyer un homme sur la Lune exigeaient une efficacité accrue, un poids réduit et une taille miniaturisée, stimulant ainsi la recherche sur de nouvelles technologies d'alimentation. Dans le secret, la NASA et l'industrie militaire développèrent une nouvelle génération d'alimentations électriques basées sur la technologie de commutation. Bien que hautement confidentielle à l'époque, il fut révélé par la suite que cette technologie avait été utilisée dans le satellite Telstar en 1962.
L'identité du premier fabricant d'alimentations à découpage disponibles sur le marché fait débat, mais il convient de mentionner RO Associates, qui présenta un commutateur de puissance de 20 kHz en 1967, puis Robert Boschert, qui mena des recherches sur les topologies de commutation modernes en 1970. Boschert déposa plusieurs brevets, dont les deux plus connus, les n° 4 037 271 et 4 061 931, furent accordés en 1977. Dès lors, le développement des topologies de commutation de puissance s'accéléra et, avec l'introduction des semi-conducteurs MOSFET et des circuits intégrés de commande PWM, cette technologie devint la norme.

Une curiosité insatiable est essentielle.
Les alimentations électriques étant utilisées dans des applications aussi diverses que le milieu marin et l'espace lointain, leurs concepteurs sont confrontés à de nombreux défis, dont certains semblent presque insurmontables. La réglementation et la demande des consommateurs pour des équipements plus petits et plus légers ont contraint les concepteurs d'alimentations à améliorer leur efficacité. Dans les années 1980, animés d'une grande curiosité, les concepteurs d'alimentations ont exploré les topologies de commutation résonante à haute fréquence. L'une des plus fructueuses sur le plan commercial fut Vicor, fondée par Patrizio Vinciarelli en 1981. Parallèlement, la communauté des spécialistes de la commutation dure a exploré une nouvelle voie, remplaçant les diodes par des MOSFET de puissance. Des communications ont été présentées lors de nombreuses conférences, telles que PESC-1988 et APEC-1989, mais le principal artisan de l'adoption de cette technologie par le marché fut sans conteste James Blanc de Siliconix Inc., qui a promu avec passion et enthousiasme la technologie de redressement synchrone.
De nouveaux composants et de nouvelles topologies ont permis d'améliorer l'efficacité des alimentations. Dans la lignée des travaux de Trey Burns, Chris Henze et d'autres qui ont œuvré sans relâche à la fin des années 1970 au développement de la commande numérique des alimentations, c'est en 2000 que les concepteurs d'alimentations et les fabricants de semi-conducteurs ont enfin franchi un cap, apparemment infranchissable. L'« alimentation numérique » était née, et il était désormais possible de contrôler les performances d'une alimentation avec précision.
Mais la curiosité des concepteurs d'alimentations est forte et insatiable. Face à la demande croissante du marché pour des composants toujours plus petits et plus efficaces, ils explorent désormais des matériaux autres que le silicium, offrant des performances supérieures : les semi-conducteurs à large bande interdite (WBG). À cet égard, les applications haute tension ont principalement bénéficié de l'utilisation du carbure de silicium, suivi par le nitrure de gallium (figure 2).
L'adoption rapide de la technologie WBG dans les applications commerciales est remarquable. J'ai mentionné précédemment James Blanc, qui a promu pendant des années l'utilisation du redressement synchrone. Avec le même enthousiasme, je dois maintenant mentionner Alex Lidow (Efficient Power Conversion), qui a fortement défendu l'utilisation du GaN, rendant cette technologie facile à apprendre et à appliquer.

Plus petits, plus rapides, plus légers et plus efficaces.
Chaque décennie a été marquée par des progrès considérables en matière de réduction de la consommation d'énergie, du poids, de l'encombrement et du prix. En combinant tous ces éléments, les concepteurs de systèmes électriques ont réussi à concentrer davantage de puissance dans des espaces réduits, et nous en constatons tous les avantages avec la dernière génération de chargeurs USB, par exemple. Année après année, nous nous rapprochons toujours plus du mythique rendement de 99,99 %, grâce à la curiosité et à l'esprit d'innovation des concepteurs.
J'ai cité Albert Einstein au début de cet article ; il est donc approprié de conclure par ses mots :
« L'important est de ne jamais cesser de s'interroger. La curiosité a sa propre raison d'être. On ne peut qu'être émerveillé face aux mystères de l'éternité, de la vie, de la merveilleuse structure de la réalité. Il suffit d'essayer d'en comprendre un peu chaque jour. »
C'est ce que font les concepteurs de systèmes électriques depuis des siècles, et c'est ce qui motive tous les utilisateurs à repousser les limites.

Références :
[1] Alimentation à thyratron REC-30 pour le télétype de 1940 : https://youtu.be/WX74GoHuwHk

Auteur : Patrick Le Fèvre, PRBX