Il est donc impératif de sensibiliser davantage la société à nos actions et de trouver des solutions pour éviter que notre consommation d'énergie ne cause des dommages irréparables à la planète. Le déploiement à grande échelle des installations de production d'énergie renouvelable et l'électrification des véhicules sont deux des principales initiatives qui contribuent à cette évolution.
Dans les années à venir, la consommation de véhicules électriques devrait être multipliée par dix par rapport aux niveaux actuels. Par exemple, l'Union européenne (UE) ambitionne de compter plus de 30 millions de véhicules électriques particuliers sur ses routes d'ici la fin de la décennie. Plusieurs facteurs expliquent cette croissance. Premièrement, les investissements importants réalisés par les gouvernements et les entreprises privées dans les infrastructures de recharge renforcent la confiance du public dans la transition des voitures thermiques classiques vers les véhicules électriques. On compte actuellement environ 250 000 bornes de recharge en service sur le continent européen, et ce nombre ne cesse d'augmenter. Deux autres atouts majeurs expliquent l'essor des véhicules électriques : leur plus grande autonomie et leur recharge plus rapide, synonymes de confort accru pour l'utilisateur.
Enfin, la volonté d'améliorer l'efficacité opérationnelle et de réduire les pertes d'énergie est tout aussi essentielle. Plus la proportion d'énergie solaire et éolienne convertie en électricité sera importante, plus ces installations d'énergies renouvelables seront efficaces. Il est donc essentiel d'améliorer la conception des onduleurs utilisés. Les moteurs électriques et les variateurs industriels doivent fonctionner avec un minimum de pertes. Pour ce faire, des algorithmes de contrôle plus sophistiqués seront nécessaires.
Les nouveaux défis exigent de nouvelles stratégies.
Les exigences actuelles liées aux véhicules électriques, aux entraînements industriels et aux énergies renouvelables nécessitent une innovation continue dans les systèmes électriques. L'avènement de la technologie à large bande interdite (WBG) a été fondamental pour atteindre de nouveaux niveaux de performance et permettre une réduction de la taille globale du système (grâce à l'utilisation de composants passifs périphériques plus petits). L'utilisation du carbure de silicium (SiC) au lieu du silicium (Si), par exemple, a permis des vitesses de commutation beaucoup plus rapides. Par conséquent, l'efficacité de la conversion d'énergie peut être considérablement améliorée. Les MOSFET en SiC remplacent les IGBT en Si volumineux, et les pertes à l'ouverture et à la fermeture ont été significativement réduites. Les avantages de cette évolution sont visibles dans les convertisseurs CC/CC utilisés dans les véhicules électriques et les systèmes d'énergies renouvelables.
De plus, les densités de puissance plus élevées offertes par les modules MOSFET en SiC permettent de concevoir des onduleurs pour énergies renouvelables, des entraînements industriels et des systèmes de commande de moteurs beaucoup plus compacts, tout en conservant un fonctionnement plus efficace. Ils sont capables de fonctionner à des températures plus élevées que leurs homologues en Si, ce qui améliore également leur fiabilité.
Pour garantir la durabilité à long terme des réseaux électriques, les progrès technologiques doivent impérativement impacter tous les aspects de leur conception. Ces progrès concerneront les procédés de fabrication des semi-conducteurs, le matériel de développement des dispositifs de commande de puissance et de moteurs, ainsi que l'approche de développement des systèmes. Un soutien important sera indispensable aux ingénieurs pour atteindre leurs objectifs ambitieux en matière d'efficacité. Les cartes d'évaluation les aideront à déterminer les paramètres des composants à privilégier pour leurs conceptions et à accélérer le prototypage. L'accès à des conceptions de référence s'avérera précieux pour les ingénieurs souhaitant remplacer leurs composants actuels à base de silicium par des alternatives WBG plus performantes.
Le rôle de Toshiba dans la conception des systèmes d'alimentation de nouvelle génération :
Toshiba s'est toujours positionné comme un pionnier de l'industrie des semi-conducteurs de puissance et réaffirme son engagement dans ce domaine par d'importants investissements financiers. Deux exemples récents : l'annonce, au printemps dernier, de l'agrandissement du site de production de Kaga au Japon, qui emploie environ 1 000 personnes, afin d'y intégrer une ligne de fabrication de plaquettes de 300 mm, en complément de la ligne existante de 200 mm. Cette nouvelle ligne sera dédiée à la production de composants de puissance discrets de pointe.
Plus récemment, Toshiba a confirmé la création d'un laboratoire haute tension 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 sa gamme croissante de produits haute tension. Ainsi, les besoins des clients pourront être pris en charge plus rapidement et plus efficacement par des ingénieurs disponibles immédiatement, grâce à la simulation et à l'évaluation d'applications réelles, permettant de surmonter des défis techniques complexes et de développer des solutions performantes. Le laboratoire sera équipé d'appareils de mesure et d'analyse de puissance de pointe et sera composé d'ingénieurs experts. Il est prévu qu'il entre en service en octobre prochain et qu'il soit étendu au cours des deux prochaines années.
Innovation produit :
Les dernières nouveautés de la gamme de microcontrôleurs M4K de Toshiba, dotées d’un cœur ARM® Cortex®-M4 32 bits avec unité de calcul en virgule flottante (FPU), optimisent les performances de la commande moteur. Les nouveaux dispositifs TXZ+ intègrent la technologie Advanced Vector Motor Plus (A-VE+), les rendant particulièrement adaptés à la commande vectorielle (FOC) des moteurs à courant alternatif (AC) et à courant continu sans balais (BLDC), ainsi qu’aux servovariateurs.
Le MOSFET TPHR7404PU, récemment annoncé, offre une faible capacité de crête, limitant ainsi les surtensions de commutation. Ce composant de puissance discret de 40 V à canal N utilise la technologie de gravure propriétaire U-MOSIX-H de Toshiba. Il est particulièrement adapté au redressement synchrone secondaire dans les alimentations à découpage, permettant une réduction significative des émissions d’interférences électromagnétiques (EMI).
Figure 1 : Conception de référence PFC triphasée de Toshiba basée sur sa technologie MOSFET SiC TW070J120B
Le convertisseur triphasé 400 V CA de Toshiba, conçu pour la correction du facteur de puissance (PFC), a été développé afin de faciliter le déploiement des infrastructures de recharge pour véhicules électriques et d'alléger la transition des batteries au silicium vers des batteries à l'eau (WBG) plus performantes. Il intègre les technologies MOSFET SiC TW070J120B et circuit de commande de grille TLP5214A de Toshiba et présente une conception triphasée sans pont. Avec une capacité de sortie de 750 V CC, il est parfaitement adapté aux niveaux de tension plus élevés requis pour la recharge des véhicules électriques. Un rendement de conversion de 97 % et un facteur de puissance de 0,99 peuvent être atteints.
Grâce à la conception de référence DC/DC bidirectionnelle de l'entreprise, un système d'alimentation peut être mis en œuvre permettant de puiser l'énergie stockée dans les batteries sur le réseau lors des pics de consommation. Ce convertisseur utilise également les composants MOSFET SiC TW070J120B et circuit de commande de grille TLP5214A, ainsi qu'un MOSFET canal N au silicium TK49N65W5 côté basse tension. Cette conception de référence est capable de fournir une puissance de 5 kW dans les deux sens. Des mécanismes de protection contre les surintensités et les sous-tensions sont intégrés pour une sécurité optimale.
Grâce à sa collaboration avec le fabricant de matériel de développement MikroElektronika, Toshiba propose aux ingénieurs une gamme de cartes Click™ pour les aider à concevoir des systèmes de commande de moteurs performants. La carte DC MOTOR 14 Click est une solution à découpage à modulation de largeur d'impulsion (PWM) pour la commande de moteurs à courant continu à balais, avec rotation avant et arrière. Son composant principal est le circuit intégré de commande TB67H450FNG, qui supporte un courant maximal de 3,5 A. L'utilisation de MOSFET à faible résistance et la technologie PWM permettent une commande moteur efficace avec une dissipation thermique minimale.
Figure 2 : Carte de commande Mikroe DC MOTOR 14 Click basée sur le circuit intégré de commande Toshiba TB67H450FNG
De nombreux obstacles subsistent si nous voulons adapter notre consommation d'électricité aux ressources disponibles et bâtir une société moins polluante. Cependant, grâce aux progrès technologiques constants, nous pouvons envisager l'avenir avec optimisme.
Auteur : Peter Lieberwirth, vice-président du marketing et des opérations, Toshiba Electronics Europe GmbH
