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RÉSUMÉ
Cet article a pour sujet la thématique de la conversion d’énergie électrique à très haute fréquence de fonctionnement (Very High Frequency : 30 – 300 MHz). Cet axe de recherche émerge depuis les années 2010 sur le plan international dans un contexte d’électrification massive des systèmes poussant à la conception de convertisseurs électroniques à forte densité de puissance et à haut rendement. Dans cet article, les objectifs de l’électronique de puissance aux fréquences VHF sont décrits, les enjeux, ainsi que l’état de l’art des travaux de recherche dans le domaine sont discutés, et des perspectives sont données.
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Lire l’articleAuteur(s)
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Loris PACE : Maître de conférences, département EEA, École Centrale de Lyon - Laboratoire Ampère, École Centrale de Lyon, Écully, France
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Baptiste DAIRE : Doctorant en Génie Électrique, Université Claude Bernard Lyon 1 - Laboratoire Ampère, Univ. Lyon, Villeurbanne, France
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Matthieu BELEY : Doctorant en Génie Électrique, École Centrale de Lyon - Laboratoire Ampère, École Centrale de Lyon, Écully, France
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Florentin SALOMEZ : Chercheur postdoctoral en Génie Électrique - Laboratoire G2Elab, Univ. Grenoble Alpes, Grenoble INP, Grenoble, France
INTRODUCTION
Les systèmes de conversion de l’énergie électrique ne cessent de s’améliorer au rythme des avancées permises par la recherche en réponse aux besoins sociétaux, industriels et/ou militaires. Des percées majeures ont permis la fabrication massive de convertisseurs de puissance capables de convertir l’électricité provenant de sources variées, sur des plages de tension/puissance/fréquence étendues, vers des charges toutes aussi diverses les unes que les autres. Parmi celles-ci peuvent être cités l’invention des redresseurs à vapeur de mercure au début du XXe siècle, le développement du transistor bipolaire dans les années 1940, la diffusion massive des transistors MOSFET (Metal Oxyde Semiconductor Field Effect Transistors) dans les années 1970, et celle des IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) dans les années 1990, pour ne citer que quelques exemples notables.
Depuis les années 1970 et l'essor de l'électronique de puissance, l'augmentation de la densité de puissance et l'amélioration de l'efficacité énergétique représentent des axes de recherche majeurs dans le domaine. Cette demande est d'autant plus prévalente dans un contexte actuel d'électrification massive des systèmes énergétiques (transport, machines, commodités…).
Une manière naturelle de réduire l’encombrement des composants passifs au sein du convertisseur est d’augmenter la fréquence de découpage, l’énergie réactive à stocker au cours d’un cycle de fonctionnement étant réduite d’autant. Les avancées technologiques autour des composants à semi-conducteur de puissance et l'émergence des semiconducteurs à grand gap permettent aujourd'hui des applications traditionnelles de conversion de puissance à haut rendement à des fréquences pouvant atteindre quelques MHz. Cependant, plusieurs verrous liés aux topologies conventionnelles des convertisseurs et aux technologies des composants utilisés, dont nous discuterons, freinent le gain substantiel en densité de puissance au-delà de ces fréquences.
La conversion d’énergie très haute fréquence constituerait-elle les prémices d’une nouvelle percée majeure en termes d’intégration et de durabilité ? À la frontière entre l’électronique de puissance et les radio-fréquences, elle propose de fonctionner à très haute fréquence de découpage (Very High Frequency, soit la bande de fréquence 30-300 MHz), alliant topologies résonantes et composants adaptés. La thématique est émergente, et de nombreux enjeux y sont associés. L’article résume les problématiques et les avancées sur le sujet, ainsi que les perspectives.
Le lecteur trouvera en fin d'article un glossaire et un tableau des symboles et des sigles utilisés.
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3. Conclusion et perspectives
L’électrification de nos sociétés, débutée il y a quasiment deux siècles par le développement de machines tournantes, n’a cessé de s’intensifier depuis. Il apparaît aujourd’hui impossible de se passer de ce vecteur énergétique, dont nous semblons avoir besoin pour éclairer, informer, communiquer, se déplacer, ou assurer un haut niveau de confort. L’électronique de puissance, qui joue un rôle indispensable dans ce contexte, est aujourd’hui concernée par deux paradigmes : la performance électrique des systèmes (rendement et densité de puissance) et le souci de leur durabilité qui va de pair avec un réveil progressif des consciences, suscité par les nombreuses alertes de la communauté scientifique.
La conversion d’énergie à très haute fréquence semble apporter des réponses pertinentes à ces enjeux, en combinant intelligemment le choix de structures adaptées à la haute fréquence (commutation douce, interrupteur unique, fonctionnalisation des éléments parasites), des besoins de stockage d’énergie moindre dans le convertisseur (et donc des composants passifs de plus faible valeur), et des composants à semi-conducteurs capables de commuter à ces fréquences très élevées tout en offrant des caractéristiques courant-tension pertinentes pour la conversion de puissance. Les convertisseurs VHF proposés dans la littérature, depuis approximativement 20 ans, atteignent des fréquences avoisinant la centaine de MHz, des puissances approchant le kW, des rendements frôlant les 80 % et des densités de puissance de l’ordre de 10 W.cm−3.
Les effets bénéfiques sur la soutenabilité environnementale restent à démontrer. Aujourd’hui, à la connaissance des auteurs, ces aspects n’ont pas encore été traités dans la littérature. Cependant, la conversion d’énergie VHF est prometteuse, et semble présenter des opportunités sur deux axes :
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la réduction du nombre de composants et la possibilité d’utiliser la technologie des pistes sur circuit imprimé en lieu et place des composants pourraient réduire l’empreinte environnementale et faciliter la recyclabilité ;
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la diminution masse/volume des convertisseurs pourrait faciliter leur adoption dans des moyens de transport électriques.
De nombreuses directions sont à prendre pour lever les verrous qui pèsent sur son développement,...
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - KOLAR (J.W.), DROFENIK (U.), BIELA (J.), HELDWEIN (M.L.), ERTL (H.), FRIEDLI (T.), ROUND (S.D.) - PWM Converter Power Density Barriers – In 2007 Power Conversion Conference – Nagoya, In 2007 Power Conversion Conference. - Nagoya. p. P-9-P-29 – 10.1109/PCCON.2007.372914 p. P-9-P-29 (2007).
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(2) - PÉRREAULT (D.J.), HU (J.), RIVAS (J.M.), HAN (Y.), LEITERMANN (O.), PILAWA-PODGURSKI (R.C.N.), SAGNERI (A.), et al - Opportunities and Challenges in Very High Frequency Power Conversion – In 2009 Twenty-Fourth Annual IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition, Lu octobre 2022. - In IEEE – 2009 Twenty-Fourth Annual IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC). IEEE p. 1-14 – 10.1109/APEC.2009.4802625 p. 1-14 (2009).
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(3) - WANG (Y.), LUCIA (O.), ZHANG (Z.), GUAN (Y.), XU (D.) - Review of very high frequency power converters and related technologies. - In IET Power Electronics, Lu octobre 2022 – vol. 13, p. 1711-1721 – 10.1049/iet-pel.2019.1301 (2020).
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(4) - MADSEN (M.P.), KNOTT (A.), ANDERSEN (M.A.E.) - Very high frequency resonant DC/DC converters for LED lighting – In 2013 Twenty-Eighth Annual IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC), In IEEE –2013 IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition. - APEC...
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