Répondre aux besoins d'électrification du 21ème siècle pour atteindre un avenir net zéro
Au 20ème siècle, l'électricité était produite de manière centralisée dans de grandes centrales électriques, principalement par la combustion de combustibles fossiles, comme le charbon.
Réseaux d’énergie du 20ème siècle
L'électricité était ensuite transportée sur des réseaux de transmission longue distance, puis fournie aux utilisateurs via des réseaux de distribution locaux. Une infrastructure énergétique similaire est apparue pour les réseaux de transport compte tenu de la prolifération des moteurs à combustion interne (ICE) utilisant comme source d'énergie principale du combustible fossile, qui devait être transporté sur de longues distances via des liaisons parfois ténues et dans certains cas instables.
Bien que cette infrastructure d'énergie et de transport ait rempli sa fonction, et ait permis d'industrialiser la plupart des pays développés à ce jour, elle a eu un impact extrêmement négatif sur l'environnement mondial à cause de l'augmentation des émissions de gaz à effet de serre, qui a entraîné une hausse des températures mondiales et des phénomènes météorologiques extrêmes. Alors que les économies émergentes ou en phase de développement entrent dans la phase d'industrialisation, ce réseau centralisé d'électricité et de transport basé sur les combustibles fossiles se révèle non durable, et un réseau énergétique de nouvelle génération est nécessaire à l’avenir.
Réseaux énergétiques du 21ème siècle
Les infrastructures énergétiques de nouvelle génération qui permettront d'industrialiser les économies émergentes et en voie de développement, tout en maintenant le niveau de vie dans les économies développées, doivent être extrêmement respectueuses de l'environnement mondial. Les scientifiques du monde entier s'accordent à dire que nous devons ramener notre empreinte en matière d'émissions de gaz à effet de serre aux niveaux de 2000, pour parvenir à limiter l'augmentation de température mondiale à moins de 1,5°C et pouvoir envisager un avenir durable. Pour parvenir à un réseau d'énergie durable dans le futur, onsemi a la conviction que les réseaux d'énergie du 21ème siècle seront principalement basés sur des sources d'énergie renouvelables, telles que le solaire et l'éolien, combinées à des capacités de stockage d'énergie. En outre, nous pensons que la consommation d'énergie doit évoluer vers des charges à haut rendement énergétique et sans émissions, tels que les véhicules électriques (VE), pour parvenir à des réseaux énergétiques viables et durables.
Réseaux énergétiques du 21ème siècle.
Les réseaux énergétiques du 21ème siècle, qu'il s'agisse des sources d'énergie renouvelables telles que l'énergie solaire, l'énergie éolienne et des capacités de stockage, ou des charges à haut rendement, telles que des véhicules électriques et des moteurs associés à des convertisseurs, verront le jour grâce aux semi-conducteurs de puissance. Dans le cas de l'énergie solaire, de l'énergie éolienne et du stockage de l'énergie, les transistors bipolaires à grille isolée (IGBT) et les dispositifs au carbure de silicium (SiC) sont principalement utilisés pour convertir les sources d'énergie variables et intermittentes, en un réseau énergétique cohérent et durable, fournissant une source d'énergie renouvelable et zéro émission. Pour les nouveaux VE et l'infrastructure de recharge, les IGBT et le SiC seront les chevaux de bataille du réseau énergétique de transport dans un avenir proche, et donneront naissance à un réseau de transport zéro émission.
Pour l'automatisation industrielle, des bâtiments et des usines, les moteurs à courant continu sans balais (BLDC) associés à des convertisseurs s’appuient sur des IGBT et des MOSFET. Il en va de même pour la connectivité humaine avec le Cloud et les réseaux 5G. Les toutes dernières générations de technologies MOSFET permettent de construire des alimentations électriques et des onduleurs à haut rendement, afin d’assurer une ubiquité de connectivité au réseau humain mondial. Chez onsemi, nous sommes convaincus que les semi-conducteurs de puissance seront le moteur du réseau énergétique du 21ème siècle, ce qui autorisera un futur durable.
Facteurs de croissance des semi-conducteurs de puissance
Afin d’aller vers un réseau énergétique mondial durable à l'avenir, la décarbonation et la limitation des gaz à effet de serre sont adoptées par toutes les grandes économies et les grandes régions du monde, avec des degrés divers de réglementation et d'incitation. Sous l'impulsion d'une combinaison de réglementations, d'incitations et d'un retour sur investissement attractif, on peut s’attendre à un doublement des énergies renouvelables au cours de la prochaine décennie. Le solaire sera le principal moteur de cette croissance, en raison de la baisse du coût des panneaux photovoltaïques.
Dans les réseaux de transport, principal utilisateur d'énergie fossile et principal émetteur de carbone, la transition vers les VE va s'accélérer compte tenu des réglementations gouvernementales, et de la commercialisation par les différents constructeurs automobiles d’offres élargies avec des véhicules dotés d’une plus grande autonomie. Un autre facteur d'accélération de l'adoption des VE est la diminution des réserves de combustibles fossiles, et la hausse des coûts d'extraction qui en résulte.
Avec l'accélération de l'industrialisation, notamment dans les économies émergentes et en cours de développement, l'utilisation de moteurs augmente. Dans les pays développés, l'automatisation des bâtiments et des usines va se développer pour compenser la hausse croissante des coûts de main-d'œuvre. Les réglementations dans ce domaine vont exiger l'utilisation de moteurs à plus haut rendement, qui nécessiteront également des onduleurs plus efficaces pour les alimenter sans gaspiller d'énergie.
Environ 45% de l'électricité produite dans le monde est consommée par des moteurs, de sorte que les améliorations de rendement dans ce secteur participent de manière significative à réduire la consommation d'énergie mondiale. Le convertisseur associé est essentiel pour obtenir ces améliorations et nous prévoyons que l'utilisation de ces dispositifs doublera au cours des dix prochaines années, dans les applications à moteurs à courant alternatif et à courant continu. La réduction des coûts d'exploitation sera certes bénéfique, mais le principal facteur de cette évolution sera probablement un durcissement des législations en matière d'efficacité énergétique.
Semi-conducteurs de puissance : Le facteur clé de la réduction des émissions
Comme nous l'avons vu précédemment, les semi-conducteurs de puissance seront la clé des réseaux énergétiques du 21ème siècle, tant du point de vue des sources d'énergie renouvelables que du point de vue de l’efficacité énergétique des charges. Pour que les semi-conducteurs de puissance nous permettent d'utiliser l'énergie de manière efficace et continue en nous rapprocher de l'objectif zéro émission, ils doivent progresser dans trois grands domaines :
- Performances des technologies de commutation
- Boîtiers efficaces au niveau thermique
- Coût et capacité
Les trois facteurs clés de la réduction des émissions.
Lors de la commutation, qu'il s'agisse d'un MOSFET, d'un IGBT ou de SiC, toutes les innovations technologiques permettant au commutateur d'offrir un meilleur rendement, tout en réduisant les pertes statiques et dynamiques, seront déterminantes. Un boîtier efficace au niveau thermique est un autre facteur clé car, le commutateur idéal n’existant pas, il y a toujours des pertes qui doivent être évacuées sous forme de chaleur. D'un point de vue commercial, le coût est toujours un facteur important et avec la croissance exponentielle des VE, des infrastructures d'énergie renouvelable et de l'énergie dans le Cloud, la résilience de la chaîne d'approvisionnement pour ces technologies est un facteur déterminant.
Technologies de semi-conducteurs de puissance
L’utilisation des différentes technologies de semi-conducteurs est souvent spécifique au type d’application, et le choix de la technologie de commutation optimum se fait en fonction du niveau de puissance et de la fréquence de commutation, afin d'obtenir un rendement maximal au niveau du système.
L'innovation permanente dans toutes ces technologies est indispensable pour fournir les réseaux efficaces et durables du 21ème siècle.
Les technologies de commutation seront spécifiques aux applications.
Onsemi est le leader reconnu des MOSFET et IGBT de pointe en technologie silicium (Si). La société investit massivement pour maintenir son avance dans le domaine du SiC (carbure de silicium), et fournit au marché les technologies de commutation les plus performantes.
Le SiC est un matériau à bande interdite large (WBG) qui offre des performances nettement supérieures à celles des dispositifs équivalents à base de Si. Le principal facteur de performance réside tient à la structure des cellules, qui permet une densité plus élevée. Cette densité de cellules plus élevée améliore le rendement, ce qui permet aux VE de disposer d’une autonomie supérieure avec un même pack de batteries.
Dans le cas des IGBT, l'épaisseur du wafer de silicium et la couche d'arrêt à champ profond sont deux éléments critiques pour améliorer le rendement et augmenter la puissance admissible. Dans le cas des MOSFET, c’est le pas et la densité des cellules qui sont déterminants. C’est pourquoi onsemi améliore en permanence ces deux paramètres, pour augmenter le rendement.
L'innovation en matière de boîtier est importante pour évacuer la chaleur du dispositif et améliorer sa fiabilité. Selon le type d'application, on peut soit utiliser un dispositif discret, soit un module. Pour les applications de très haute puissance (150 kW à 250 kW) telles que les VE, un module de traction peut être le meilleur choix.
Il existe trois grands domaines d'innovation pour les boîtiers : la technologie d’interconnexion, les matériaux et les modules. Dans le domaine de l'interconnexion, passer de l'interconnexion par soudure, au frittage, ou au clip fritté, permet de réduire la résistance de contact qui, à son tour, améliore la fiabilité.
En ce qui concerne les matériaux, les principales innovations portent sur le frittage d'argent et de cuivre, et éventuellement l’incorporation, ce qui permet d’augmenter la durée de vie, et la densité de puissance. Dans les modules de traction, la résistance thermique du boîtier est un paramètre très important. Ici, l'utilisation d'un refroidissement direct double face permet d'améliorer considérablement la résistance thermique et, par conséquent, la densité de puissance.
Asif Jakwani, Vice-Président Senior et Directeur Général de la division Énergie Avancée, onsemi.
Parallèlement aux avancées techniques en matière de commutation et de conditionnement, onsemi propose une chaîne d'approvisionnement robuste et hautement résiliente. Bien qu'onsemi s’appuie sur son modèle Fab-lite, elle est l'une des très rares entreprises de semi-conducteurs de puissance à traiter ses propres wafers en interne, afin de proposer à ses clients une chaîne d'approvisionnement robuste. La récente acquisition de GT Advanced Technologies garantit l'existence d'une chaîne d'approvisionnement à la fois très intégrée verticalement, et résiliente pour le SiC, l'une des technologies clés permettant une croissance durable pour l'avenir. La résilience de la chaîne d'approvisionnement est renforcée par plusieurs partenariats à long terme avec des tiers, notamment des fabricants et des fondeurs.
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