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Une nouvelle génération de semi-conducteurs de puissance

L’optimisation des structures de thyristor réduit les pertes en conduction

Les semi-conducteurs de puissance sont des composants montés dans de nombreux produits et systèmes. Ils permettent de réduire considérablement la consommation d’énergie et d’améliorer l’efficacité du transport d’énergie. Ils seront très utiles pour atteindre les objectifs de la transition énergétique. ABB agrandit son portefeuille de produits dans ce domaine en y intégrant une nouvelle génération de semi-conducteurs de puissance.

La transition énergétique en Europe recouvre de multiples aspects: évolution des structures de production, transformation consécutive des réseaux de transport, diminution de la consommation d’énergie par une amélioration de l’efficacité énergétique … Les systèmes et les produits de l’électronique de puissance jouent un rôle central dans ce changement et sont déterminants pour la réussite de la transition énergétique. C’est par ex. le cas des semi-conducteurs de puissance sous la forme de thyristors et de transistors. Pour faire simple, ces derniers fonctionnent comme des soupapes pour le courant électrique et sont chargés de commuter et de gérer les courants et les tensions élevés. Par le biais d’une électrode de commande, ils peuvent passer d’un état de blocage dans lequel ils agissent comme un isolateur, à un état conducteur. Cette commutation s’effectue en quelques millionièmes de seconde.

Contrairement aux commutateurs mécaniques, les semi-conducteurs de puissance peuvent donc fonctionner avec une multitude de fréquences réseau et, avec un dimensionnement adapté, durer plus de 30 ans. Chez ABB, des pastilles de silicium ultra-fines sont produites à Lenzburg en Suisse dans des conditions de salle blanche et sont utilisées dans les secteurs de la traction, de l’industrie et de l’approvisionnement en énergie. «Étant donné la multitude d’applications possibles avec les semi-conducteurs de puissance, ces derniers peuvent être considérés comme l’épine dorsale de la transition énergétique», affirme Sven Klaka, chef de produits chez ABB Semiconductors à Lenzburg.

Utilisation dans les techniques CCHT

Deux types de semi-conducteurs de puissance commutables sont intéressants pour les techniques énergétiques. Les thyristors d’abord, qui se caractérisent par des tensions de blocage très élevées, jusqu’à 8500 V, et de faibles pertes à l’état conducteur (inférieures à 1,8 V à 5000 A). Ces éléments ne peuvent cependant être «désactivés» qu’avec une inversion de la polarité du courant. Les transistors ensuite, qui peuvent être activés et désactivés à tout moment de manière contrôlée. Cette fonctionnalité supplémentaire provoque néanmoins de plus grandes pertes à l’état conducteur: une chute de tension de 2,8 V est observée avec une capacité de blocage de 4500 V et un courant nominal de 2000 A .

Les thyristors sont aussi utilisés depuis le milieu des années 1970 pour le transport d’énergie par courant continu à haute tension (CCHT, chez ABB: HVDC Classic). On a longtemps supposé que ces installations avaient atteint, voire dépassé le stade de maturité ultime. Les nouveaux thyristors «Low-Loss» d’ABB montrent cependant qu’il est encore possible d’améliorer l’efficacité et de diminuer de 13% les pertes en conduction des convertisseurs en optimisant la structure des thyristors. Les systèmes HVDC Classic peuvent ainsi transporter une puissance de plus de 10 GW.

Extension de la gamme de produits

Le développement de la technologie CCHT autonome, introduite par ABB en 1997 sous le nom HVDC Light, est devenu possible grâce à l’utilisation de transistors. Des éléments pouvant être désactivés, par ex. des IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistors), sont utilisés. Les avantages de cette technologie CCHT, comme la capacité de démarrage autonome, en font une technologie idéale pour raccorder des parcs éoliens offshore à du courant continu. La possibilité de délivrer des services avec les convertisseurs CCHT, par ex. la compensation de la puissance réactive, explique entre autres qu’ils soient utilisés pour transporter efficacement d’importantes quantités de courant du nord vers le sud dans les couloirs CCHT prévus.

ABB agrandit aussi sa gamme de transistors: une intégration en deux étapes de la fonction du transistor et de la diode sur une puce permet d’augmenter la densité énergétique de 50%. Cette nouvelle puce BiGT (Bimode IGBT) présente aussi une très grande tolérance aux courants de fuite. La gamme de produits va prochainement s’agrandir et accueillir des éléments qui se caractérisent par un courant nominal jusqu’à 3000 A pour un courant de coupure maximal de 6000 A et une tension de blocage de 4500 V. Avec une chute de la tension de conduction de seulement 2,6 V avec le courant nominal, les pertes sont très faibles.

Informations: new.abb.com/semiconductors/fr