Jinchang Zhou, directeur produits chez Onsemi, explique comment les IGBT FS7 d'Onsemi permettent de développer des appareils forte puissance à faible pertes destinés secteur des énergies renouvelables. Alors que de plus en plus de véhicules électriques (VE) sont déployés dans le monde, l'industrie se tourne vers le prochain défi : convertir les véhicules à usage commercial et agricole (CAV) à la propulsion électrique. Toutefois, cette évolution soumet le réseau électrique à une pression extrême, car la demande d'énergie électrique augmente rapidement. Même si elles sont efficaces, les applications telles que les véhicules électriques, les datacenters, les pompes à chaleur et autres nécessitent d'importantes quantités d'énergie pour fonctionner.
De nouvelles sources d'énergie renouvelables apparaissent, l'énergie solaire étant l'une les plus populaires avec d'autres telles que l'énergie éolienne ou marémotrice. Ce n'est que lorsqu'une application utilise de l'énergie provenant d'une source renouvelable qu'elle peut être considérée comme réellement « propre ».
Défis de la conversion énergétique dans les applications renouvelables
Les panneaux solaires photovoltaïques (PSP) génèrent du courant continu (CC) alors que le réseau requiert du courant alternatif (CA). Les onduleurs PSP centraux font donc partie intégrante des grandes installations raccordées au réseau. Comme toute l'énergie générée par les panneaux photovoltaïques y passe, l'efficacité de l'onduleur est l'un des paramètres les plus importants. Bien que l'énergie solaire peut être illimitée, une conversion inefficace limiterait l'énergie atteignant le réseau. L'énergie perdue qui en découle génère de la chaleur, ce qui pose un problème important car de nombreuses installations solaires sont situées dans des climats ensoleillés ou des déserts où les températures ambiantes sont élevées.
Le coût est un élément important, car il influe sur le prix de l'électricité pour le consommateur et sur la rentabilité de la compagnie d'électricité. Compte tenu des puissances élevées requises, de nombreux onduleurs centraux utilisent plusieurs modules de conversion en parallèle, le nombre requis étant déterminé par la puissance de chaque module. Plus la puissance de chaque module augmente, plus le nombre de modules nécessaires diminue, ce qui réduit les coûts.
Si des progrès considérables ont été accomplis pour les véhicules électriques, les progrès ont été moindres pour les véhicules utilitaires à usage commercial et agricole quant au passage à la propulsion électrique. Pourtant, bien que ces véhicules ne représentent que 2% de la quantité totale de véhicules, ils émettent 28% de gaz à effet de serre du transport. Comme ces véhicules sont plus grands, ils consomment plus de carburant par trajet et produisent plus d'émissions. Des progrès ont été réalisés, en particulier dans le domaine des véhicules commerciaux de passagers (tels que les bus), mais la grande majorité des gros camions, des engins de construction et des véhicules agricoles (par exemple les tracteurs) continuent d’utiliser le diesel. Les choses commencent à changer. Pour répondre aux réglementations strictes en matière d'émissions zéro sur les marchés mondiaux tels que l'Union européenne, la Chine et la Californie, les ventes de camions électriques (batteries électrique et hybride) devraient passer des 5% des ventes totales actuelles à 40-50% en 2030.
Comme pour les applications solaires, l'efficacité est une condition essentielle pour les VUL électriques à usage commercial et agricole car chaque véhicule dispose d'une quantité limitée d'énergie dans la batterie pour effectuer un trajet. Plus le processus de conversion dans l'onduleur est efficace, plus l'autonomie est grande (ou moins on utilise la batterie pour une distance donnée).
Applications d'onduleurs solaires photovoltaïques
L'une des topologies les plus courantes utilisées dans les applications haute puissance, telles que les onduleurs solaires photovoltaïques triphasés, est le convertisseur clampé par le neutre (NPC) à trois niveaux. Cette topologie multi-niveau vise spécifiquement à améliorer les performances et l'efficacité.
Les convertisseurs clampés par le neutre (NPC) utilisent des diodes pour connecter le point neutre des condensateurs DC link à la sortie. Dans une configuration ANPC), le verrouillage est effectué par des commutateurs, ce qui permet un meilleur contrôle qui réduit les pertes de commutation et améliore l'efficacité. Le besoin en mesures thermiques est moindre, ce qui se traduit par une solution plus petite et moins coûteuse.
La façon dont la topologie est agencée réduit la tension sur chaque interrupteur individuel, ce qui améliore la fiabilité. En outre, l'ANPC fournit une forme d'onde améliorée qui est bénéfique pour le réseau.
QDual3 : une densité de puissance et un rendement supérieur dans un boîtier compact
En utilisant un module de puissance comme les modules IGBT QDual 3 d'Onsemi et en mettant en parallèle plusieurs modules de puissance, les ingénieurs concepteurs peuvent créer un module actif clampé par le neutre à trois niveaux haute performance avec une puissance de sortie du système atteignant 1,6 MW à 1,8 MW.
Les modules QDual 3 intègrent les dernières technologies IGBT et diodes 1200 Volts Field Stop 7 (FS7), qui offrent les meilleures performances pour les applications haute puissance. La technologie FS7 a considérablement amélioré les pertes par conduction par rapport aux générations précédentes.
Dans le processus IGBT FS7, un canal étroit en tranchée offre une faible VCE(SAT) et une densité de puissance élevée, tandis qu'un tampon multiple à implant de protons assure des caractéristiques de commutation robustes et douces. Les dispositifs FS7 à vitesse moyenne d'Onsemi offrent la VCE(SAT) la plus basse (1,65 V) pour les applications de contrôle de mouvement, tandis que leurs produits FS7 rapides ont l'EOFF le plus bas de seulement 57 µJ/A. Ils conviennent parfaitement aux applications haute puissance telles que les onduleurs solaires et les VUL électriques.
La technologie innovante FS7 réduit la taille des puces des derniers modules QDual3 de 30% par rapport à la génération précédente. Cette miniaturisation, associée à des améliorations du conditionnement, permet d'augmenter de manière significative l'intensité maximale du courant. Dans les applications de commande de moteur avec des températures de fonctionnement allant jusqu'à 150 degrés Celsius, le QDual3 offre une puissance de sortie de 100 à 340 kW, soit une augmentation d'environ 12 % par rapport aux autres produits actuellement disponibles sur le marché.
La fiabilité étant essentielle dans les applications solaires et VUL, la façon dont le module est construit et testé est d'une importance capitale. Par exemple, les modules Onsemi sont soudés par ultrasons pour fixer les borniers à vis au lieu du câblage par fil utilisé sur de nombreuses solutions concurrentes. Cela améliore la densité maximale du courant admissible par borne, offre une meilleure dissipation thermique et cette solution est plus robuste/fiable que le câblage par fil.
L’augmentation de la conductivité associée à cette approche réduit les pertes électriques, augmentant ainsi l'efficacité. En outre, la température de fonctionnement est abaissée avec une meilleure rigidité mécanique, ce qui augmente la fiabilité globale du module.
Une économie de 25% en termes de taille, de poids et de coût
Les modules IGBT QDual3 Half-Bridge (NXH800H120L7QDSG pour les onduleurs solaires centraux, ESS, UPS et SNXH800H120L7QDSG pour VUL) sont basés sur la technologie FS7 qui réduit les pertes et augmente le rendement global de ces applications spécifiques grâce à de meilleures VCE(SAT) et EOFF.
Actuellement, la conception d'un onduleur de 1,725 MW utilisant des modules IGBT de 600 A dans une configuration ANPC / INPC nécessiterait un total de 36 modules. Cependant, comme les nouveaux modules NXH800H120L7QDSG et SNXH800H120L7QDSG sont conçus pour fonctionner à 800 A, le nombre de modules nécessaires est réduit de 9. Cela représente une économie de 25% en termes de taille, de poids et de coût, ce qui est bénéfique pour les applications solaires et très utile dans les VUL où l'autonomie du véhicule augmentera grâce à la réduction du poids et à l'amélioration de l'efficacité ou du rendement global.
