Les convertisseurs de puissance au service discret de la mobilité véhiculée

Réactifs, les laboratoires IETR et IREENA ont répondu aux besoins de l’entreprise d’électronique de pointe Tronico-Alcen pour deux projets de conception de convertisseurs de puissance, dans les secteurs de l’aéronautique et de la mobilité.

Les projets P4AERO et P4EMOB présentent un point commun : l’objectif de développer des convertisseurs de puissance performants, sécurisés, peu volumineux et modernes, à destination de Tronico-Alcen. Les laboratoires collaborent avec cette entreprise nantaise, spécialisée dans l’électronique de pointe, depuis 2020.

Mais les deux projets ont des différences : le premier est piloté par l’IETR et s’adresse au secteur aéronautique, le second par l’IREENA et concerne le secteur de la mobilité.

Évoquant P4AERO , Nicolas Ginot , professeur des Universités à l’IETR, explique : «  Nous accompagnons Tronico dans la réalisation de cartes électroniques pour piloter des semi-conducteurs de puissance capables de commuter des courants de plusieurs centaines d’ampères sous des tensions de plusieurs milliers de volts. Ces cartes électroniques, appelées « gate-drivers », assurent à la fois le pilotage de ces semi-conducteurs, la sécurisation et la supervision. En cas de défaillance d’un semi-conducteur, le gate-driver doit assurer sa mise hors tension sans dommages collatéraux pour le convertisseur dans lequel il est intégré. »

Le chercheur souligne au passage que la France, contrairement à l’Allemagne ou à la Suisse par exemple, ne possède pas de filière industrielle de ces gate-drivers.

Intégration de nouveaux composants, réduction des volumes

L’innovation du laboratoire réside surtout dans l’intégration de composants récents performants, dits « grand gap », à base de carbure de silicium, au sein des convertisseurs.

Aussi, grâce à l’utilisation de ces composants grand gap et aux efforts combinés de tous les intervenants sur le projet, les chercheurs contribuent efficacement au développement de convertisseurs de puissance de volumes et poids de plus en plus petits avec des rendements accrus. A titre d’exemple, pour une même gamme de puissance, un convertisseur actuel intégrant la dernière génération de composant de puissances grand gap est 2 à 3 fois moins volumineux que le même convertisseur développé au début des années 2000.

Tournons-nous maintenant vers l’IREENA, dont les projets sont orientés mobilité.

Les enjeux sont les mêmes, mais les spécificités techniques diffèrent, car l’équipe s’adresse aux véhicules non particuliers (voitures hybrides et voitures électriques), parmi lesquels les transports en commun, les véhicules de fonction et les bornes de recharges.

« Si les aspects « safety » sont centraux dans l’aéronautique, nous priorisons de notre côté plutôt l’encombrement, l’efficacité et le coût », détaille Jean-Christophe Olivier, Maitre de conférences à l’IREENA.

Les chercheurs doivent sélectionner les meilleurs composants et les dimensionner, afin d’optimiser l’architecture d’électronique de puissance : « Nous avons une approche multiphysique, car nous tenons compte des aspects thermiques, qualité de l’énergie, pilotage, tout en associant à nos modèles des concidérations technico-économiques, dans lesquelles nous estimons par exemple la durée de vie des composants pour optimiser le rapport service rendu/coût. »

Le secteur étant très concurrentiel sur les convertisseurs de traction, Tronico se positionne plutôt sur l’alimentation des auxiliaires des véhicules, d’autant que l’électrification est de plus en plus importante : ABS, calculateur de bord, etc.

Malgré leur discrétion, les convertisseurs de puissance sont aujourd’hui des technologies centrales de nos équipements.