Comment le carbure de silicium transforme les systèmes énergétiques

Le carbure de silicium (SiC) est désormais incontournable pour améliorer le rendement et favoriser la décarbonation dans tous les secteurs. Véritable catalyseur pour les systèmes d'alimentation avancés, il répond à la demande mondiale croissante en matière d'énergies renouvelables, de véhicules électriques (VE), de data centers et d'infrastructures de réseau électrique. La technologie SiC présente des avantages par rapport aux dispositifs en silicium traditionnels, notamment en termes de rendement de conversion de puissance et de sensibilité thermique. Son impact global sur les secteurs de l'électronique et de l'énergie peut conduire à une rentabilité et une durabilité accrues.

Des experts de deux grandes entreprises de semi-conducteurs — Michael Williams, directeur du marketing pour l'industrie et l'infrastructure chez Infineon Technologies et Shawn Luke, ingénieur marketing technique chez DigiKey — partagent leurs réflexions sur l'impact de la technologie SiC sur le marché et sur les perspectives d'avenir.

Transformer la consommation d'énergie

« Auparavant, la majeure partie de la consommation d'énergie était liée à un type de commande de moteur, par exemple dans les applications d'automatisation industrielle et les usines, le transport ferroviaire, les pompes mobiles pour le traitement des eaux usées ou les fluides comme le pétrole dans les pipelines », a déclaré Michael Williams. « Avec l'introduction du carbure de silicium, le marché s'est orienté vers l'amélioration du rendement, ce qui a permis de réduire les pertes d'énergie tout au long des multiples étapes de conversion et de soutenir les applications à forte demande. »

Ce changement s'est focalisé sur la décarbonation et le développement de nouvelles générations de technologies renouvelables, notamment les systèmes d'énergies renouvelables, les infrastructures de véhicules électriques et les data centers. Ce changement s'est également traduit par une amélioration du rendement de conversion de puissance d'environ 95 % à 98,5 %, une évolution significative qui a permis de réduire les pertes d'énergie, la génération de chaleur et les besoins de refroidissement.

Infrastructures de réseau électrique

Le simple fait de transférer de l'électricité du réseau ou d'une ligne à haute tension vers un data center peut entraîner une perte d'énergie de 5 à 6 % à mesure qu'elle passe par plusieurs couches de conversion. On estime que les data centers représentent à eux seuls 3 % de la consommation d'énergie mondiale actuellement, et que ce chiffre devrait atteindre 4 % d'ici à 2030 (Data Centre Magazine, 2022), sans aucun signe de ralentissement attendu. Le SiC entre en jeu pour l'infrastructure d'alimentation des data centers, en améliorant le rendement et le coût système dans le stockage d'énergie à l'échelle du réseau et les onduleurs solaires centraux. La solution combinée permet aux futurs data centers de fonctionner dans un environnement de micro-réseau, réduisant ainsi la charge sur le réseau américain déjà mis à rude épreuve.

« Avec l'électrification des automobiles, nous voyons apparaître de nombreuses conceptions de référence avec une charge bidirectionnelle et une électronique de puissance avancée, ce qui signifie qu'elles se rechargent pendant les heures creuses et réinjectent de l'énergie dans le réseau pendant les heures de pointe », a déclaré Shawn Luke.

Le SiC, en tant que technologie à large bande interdite, permet de gérer des tensions plus élevées et des vitesses de commutation plus rapides dans des applications telles que la recharge de véhicules électriques. Cela a permis une transformation complète de l'infrastructure du réseau mondial tout en réduisant la complexité des systèmes et les coûts globaux.

Concevoir avec la technologie SiC

La technologie SiC répond bien aux besoins de rendement, mais il arrive qu'un concepteur ait besoin d'un produit compact, et c'est là qu'interviennent les dispositifs à large bande interdite (WBG) ou en silicium (Si).

« Tout comme un concepteur a le choix entre trois technologies, il doit également tenir compte de trois considérations de conception fondamentales. Mon produit doit-il être rentable, compact ou efficace ? » explique Michael Williams. « Le choix de deux de ces priorités permet au concepteur d'opter pour des solutions Si. Cependant, la sélection de ces trois considérations requiert des dispositifs à large bande interdite. Le facteur clé pour des produits compacts est l'augmentation de la fréquence de commutation afin de réduire la taille des composants magnétiques et la capacité dans le système. »

Grâce à la capacité WBG de la technologie SiC, les niveaux de tension peuvent être plus élevés, ce qui a permis la mise en œuvre de la prochaine génération de technologies. La difficulté réside dans le fait que le SiC est un matériau complexe à travailler, étant donné qu'il s'agit d'un matériau de base nettement plus rigide que le silicium traditionnel.

Les cycles d'alimentation sont un facteur clé dans le développement des boîtiers, car ils exercent une contrainte sur l'interconnexion entre la puce SiC et sa grille de connexion ou son substrat, ce qui peut entraîner une défaillance prématurée du dispositif. Il est important de développer de nouvelles technologies d'interconnexion pour améliorer les performances des cycles d'alimentation des futurs dispositifs SiC afin de répondre aux exigences futures d'un réseau décarboné.

« Les applications utilisent désormais des cycles d'alimentation beaucoup plus élevés que les anciennes applications d'entraînement moteur », a déclaré Michael Williams. « Infineon s'est concentré sur le développement de sa technologie .XT, une technologie d'interconnexion avancée qui a prouvé qu'elle augmentait les performances des cycles d'alimentation de plus de 22 fois par rapport aux techniques de soudure tendre standard. Ce développement technologique permet d'augmenter la densité de puissance, d'améliorer les performances thermiques et de maximiser la durée de vie des systèmes, favorisant la transition vers des sources d'énergies plus renouvelables. »

Innovations sur le marché de la conversion de puissance

La décarbonation du réseau, impliquant l'abandon progressif des centrales électriques à combustibles fossiles (comme le charbon et le pétrole), est un domaine qui suscite l'enthousiasme de ces experts.

« La décarbonation peut se produire à la fois au macro-niveau avec les changements que les compagnies d'électricité apportent pour passer à l'énergie éolienne, solaire et hydraulique, mais également au niveau du consommateur avec les véhicules électriques et autres », a déclaré Shawn Luke. « Les facilitateurs comme le SiC nous aident à nous rapprocher plus que jamais des micro-réseaux, en localisant les sources d'énergie pour réduire la conversion et les pertes, ce qui contribue à la décarbonation. »

Une autre innovation qui, selon eux, aura un impact important sur le secteur de l'énergie est la mise en œuvre de transformateurs à semi-conducteurs. Ces dispositifs peuvent considérablement améliorer l'infrastructure du réseau électrique, en réduisant la taille, le temps d'installation et la complexité globale du site du fournisseur d'électricité. Le déploiement de transformateurs à semi-conducteurs permet de créer des solutions de micro-réseaux et des systèmes modulaires à haute tension, favorisant une distribution d'énergie plus durable.

Étapes suivantes

Avec le déploiement constant de nouvelles technologies, le SiC devrait s'imposer durablement.

« Les experts d'Infineon s'attendent à ce que les dispositifs de commutation de puissance au silicium continuent de dominer le marché pendant le reste de la décennie » a déclaré Michael Williams. « Nous occupons une position unique sur le marché en proposant les trois technologies de commutation — silicium, carbure de silicium et nitrure de gallium — et nous ne voyons aucune menace liée aux dispositifs de puissance à large bande interdite susceptible d'affecter l'importance du marché. »

Des entreprises telles qu'Infineon investissent dans l'augmentation de la capacité de production et le développement de solutions qui améliorent le rendement énergétique tout en réduisant le coût de la technologie SiC. Des innovations telles que les micro-réseaux modulaires, les réseaux CC distribués et les réacteurs à fusion se profilent à l'horizon, avec le SiC au cœur de ces avancées.

Grâce à un partenariat solide avec son distributeur mondial, DigiKey, et au déploiement rapide de nouvelles technologies via un modèle de distribution sans minimum de commande et à haute disponibilité, les concepteurs et les ingénieurs sont bien positionnés pour faire face à l'avenir. Pour plus d'informations sur les solutions d'alimentation, visitez DigiKey.fr.