Défis de la tension SST : Topologies et technologie SiC

L'un des défis majeurs des transformateurs à état solide (SST) est que la tension nominale d'un seul dispositif semi-conducteur de puissance est loin d'être suffisante pour gérer directement les réseaux de distribution en tension moyenne (par exemple, 10 kV). La résolution de cette limitation de tension ne repose pas sur une seule technologie, mais plutôt sur une "approche combinée". Les principales stratégies peuvent être classées en deux types : "interne" (à travers l'innovation technologique et matérielle au niveau du dispositif) et "collaboration externe" (à travers la topologie de circuit).

1. Collaboration Externe : Résolution par la Topologie de Circuit (Actuellement l'Approche la Plus Courante et la Plus Mature)
C'est actuellement l'approche la plus fiable et la plus largement appliquée dans les applications de moyenne et haute tension, de grande puissance. Son idée centrale est "la force dans l'union" - utiliser des connexions en série ou des combinaisons modulaires de plusieurs dispositifs pour partager la haute tension.

1.1 Connexion en Série de Dispositifs

 Principe : Plusieurs dispositifs de commutation (par exemple, IGBT ou MOSFET SiC) sont connectés en série pour supporter collectivement la haute tension. Cela est similaire à la connexion en série de plusieurs piles pour atteindre une tension plus élevée.

 Défis Clés :

• Équilibrage Dynamique de la Tension : En raison de légères différences de paramètres entre les dispositifs (par exemple, vitesse de commutation, capacité de jonction), la tension ne peut pas être répartie uniformément entre les dispositifs lors de la commutation à haute vitesse, ce qui peut entraîner une surtension et un dysfonctionnement d'un dispositif.

• Solutions : Des circuits d'équilibrage de tension complexes, actifs ou passifs (par exemple, circuits snubber, contrôle de la porte), sont nécessaires pour imposer le partage de la tension, augmentant ainsi la complexité et le coût du système.

2. Topologies de Convertisseurs Multiniveaux (Choix Principal pour les SST Aujourd'hui)

2.1 Principe : Il s'agit d'un concept plus avancé et performant de "série modulaire". Il génère une approximation en paliers d'une onde sinusoïdale en utilisant plusieurs niveaux de tension, de sorte que chaque dispositif de commutation ne supporte qu'une fraction de la tension continue totale du bus.

2.2 Topologies Communes :

• Convertisseur Modulaire Multiniveaux (MMC) : L'une des topologies les plus favorisées pour les SST de moyenne et haute tension. Il se compose de nombreux sous-modules (SM) identiques connectés en série. Chaque sous-module comprend généralement un condensateur et plusieurs dispositifs de commutation. Les dispositifs ne subissent que la tension du condensateur du sous-module, résolvant efficacement le problème de contrainte de tension. Les avantages incluent la modularité, la scalabilité et une excellente qualité de la forme d'onde de sortie.

• Convertisseur Multiniveaux à Condensateur Volant (FCMC) et Convertisseur Multiniveaux à Diodes Clampées (DNPC) : Également des structures multiniveaux couramment utilisées, mais deviennent structurellement et en termes de contrôle complexes lorsque le nombre de niveaux augmente.

• Avantages : Résout fondamentalement la limitation de la tension nominale des dispositifs individuels, améliore considérablement la qualité de la forme d'onde de la tension de sortie et réduit la taille des filtres.

3. Structure en Cascade Entrée-Série Sortie-Parallèle (ISOP)

• Principe : Plusieurs unités de conversion de puissance complètes et indépendantes (par exemple, DAB, Double Pont Actif) sont connectées en série à l'entrée pour supporter la haute tension et en parallèle à la sortie pour fournir un courant élevé. C'est une solution modulaire au niveau du système.

• Avantages : Chaque unité est un module standard basse tension, simplifiant la conception, la fabrication et la maintenance. Haute fiabilité (la défaillance d'une unité n'interrompt pas le fonctionnement global du système). Très adapté à la philosophie de conception modulaire des SST.

4. Renforcement Interne : Innovation Technologique au Niveau du Dispositif (Direction de Développement Future)

Cette approche aborde fondamentalement le problème du point de vue de la science des matériaux et de la physique des semi-conducteurs.

4.1 Utilisation de Dispositifs Semi-Conducteurs à Large Bande Interdite

Principe : De nouveaux matériaux semi-conducteurs tels que le carbure de silicium (SiC) et le nitrure de gallium (GaN) ont des champs électriques de rupture critiques d'un ordre de grandeur supérieur à ceux du silicium traditionnel (Si). Cela signifie que les dispositifs SiC peuvent atteindre des tensions nominales beaucoup plus élevées pour la même épaisseur comparativement aux dispositifs Si.
Avantages :

• Tension Nominal Plus Élevée : Un seul MOSFET SiC peut maintenant facilement atteindre des tensions nominales supérieures à 10 kV, tandis que les IGBT en silicium sont généralement limités à moins de 6,5 kV. Cela permet de simplifier les topologies SST (en réduisant le nombre de dispositifs connectés en série).

• Efficiacité Supérieure : Les dispositifs à large bande interdite offrent une résistance de conduction et des pertes de commutation inférieures, permettant aux SST de fonctionner à des fréquences plus élevées, réduisant ainsi considérablement la taille et le poids des composants magnétiques (transformateurs, inductances).
  

• Statut : Les dispositifs SiC haute tension sont actuellement un sujet de recherche chaud dans le domaine des SST et sont considérés comme une technologie clé pour les futurs designs SST disruptifs.

4.2 Technologie Superjunction

• Principe : Une technique avancée pour les MOSFET en silicium qui introduit des régions pilier alternées de type P et N pour modifier la distribution du champ électrique, améliorant ainsi considérablement la capacité de blocage de tension tout en maintenant une faible résistance en marche.

• Application : Principalement utilisée dans les dispositifs avec des tensions nominales entre 600 V et 900 V. Appliquée du côté basse tension ou dans les sections de faible puissance des SST, mais toujours insuffisante pour les applications en tension moyenne directe.

5. Comparaison

Comment répondre aux limitations de tension nominale des dispositifs semi-conducteurs de puissance dans les SST ?

• La solution la plus pratique et fiable actuellement est d'adopter des topologies de convertisseurs multiniveaux (notamment les convertisseurs modulaires multiniveaux, MMC) ou des structures en cascade entrée-série sortie-parallèle (ISOP). Ces approches, basées sur des dispositifs en silicium matures, contournent la bouteille d'encolure de la tension nominale des dispositifs individuels grâce à des architectures systèmes sophistiquées.

• La solution fondamentale pour l'avenir réside dans la maturation et la réduction du coût des dispositifs semi-conducteurs à large bande interdite haute tension, en particulier le carbure de silicium (SiC). Une fois réalisée, les topologies SST peuvent être considérablement simplifiées, permettant un bond en avant en termes d'efficacité et de densité de puissance.

Dans la recherche et le développement réels des SST, plusieurs technologies sont souvent combinées - par exemple, l'utilisation d'une topologie MMC avec des dispositifs SiC - pour atteindre des performances optimales et une fiabilité maximale.