énergies renouvelables
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Un avenir radieux pour les énergies renouvelables IGBT IGBT Q1 Q2 Il existe un fort potentiel pour l’énergie solaire photovoltaïque, mais il est essentiel de bien réfléchir à la conception afin de garantir un rendement maximal. C1 Sortie c.a. L2 IGBT IGBT Q3 Q4 Sortie c.a. IGBT « low side » haute tension dans une topologie de pont complète Les économies d’énergie en général sont désormais une priorité à l’échelle mondiale et, dans la grande course au rendement, la dynamique des formes alternatives d’énergie renouvelable est en plein essor. L’énergie solaire provenant de cellules photovoltaïques compte parmi les technologies les plus prometteuses. Nombreux sont aujourd’hui les exemples d’utilisation de l’énergie PV : ils peuvent aller des chargeurs de téléphones portables aux installations de panneaux solaires de toit générant suffisamment d’énergie pour alimenter une maison particulière ou une petite entreprise. Les panneaux solaires produisent un courant continu. Le recours à la technologie PV pour une tension d’alimentation secteur c.a. nécessite donc un inverseur c.c./c.a. Le débat fait rage quant à la meilleure façon de mettre en œuvre cette technologie d’inverseur : centralisée ou distribuée ? L’approche distribuée (qui semble prendre le pas sur la topologie centralisée, plus traditionnelle) implique la présence d’un inverseur dédié à proximité de la sortie de chaque panneau solaire. Principal attrait de cette approche : les performances négatives d’une seule cellule n’ont aucun impact négatif sur les performances globales du système, contrairement à l’approche centralisée dont c’est là le principal point faible. Si la duplication des inverseurs entraîne effectivement des coûts plus élevés, les partisans de l’approche distribuée arguent qu’un plus grand rendement, associé à l’amélioration de la fiabilité du système grâce à la suppression du point unique de défaillance, compense la majoration du prix unitaire sur la durée de vie globale du système. eTech - NUMÉRO 2 L1 C2 Fig.1 L’inverseur solaire est doté de transistors IGBT Ce second exemple est actuellement au centre de toutes les attentions, car des installations efficaces sont capables de ramener l’énergie en surplus vers le réseau électrique lorsque nécessaire, le propriétaire bénéficiant ainsi non seulement d’une forme d’énergie renouvelable, mais également d’un petit retour sur investissement. Cependant la technologie PV fait également l’objet d’une controverse car son déploiement est susceptible d’engendrer des pertes à différents niveaux de la chaîne énergétique. Les fabricants de l’ensemble de la chaîne d’approvisionnement tentent de trouver la meilleure architecture système pour y remédier. 16 Alimentation c.c. (inverseur solaire, batterie) IGBT « high side » Les deux topologies, centralisée et distribuée, ont chacune leurs mérites et pour point commun la nécessité de trouver une technologie d’inverseur efficace. En effet, en l’absence d’un inverseur efficace, toute amélioration des performances du système serait vaine. Cependant, les exigences liées aux différents types d’inverseurs utilisés varient en fonction de la topologie et c’est justement à ce niveau que la technologie propre à l’inverseur joue un rôle prépondérant. que le transistor Q4 reste activé (Q2 et Q4 sont désactivés) et, de la même manière pour l’alternance négative, le transistor Q2 est modulé tandis que le Q3 reste activé, les transistors Q1 et Q4 étant désactivés. Les caractéristiques des transistors IGBT « high-side » et « lowside » variant clairement en fonction de cette architecture, il est important d’opter pour des dispositifs provenant d’un fournisseur familiarisé avec ces exigences. Les tensions d’entrée de l’inverseur dépendent de la topologie choisie. De même, le rendement de l’inverseur dépend de sa conception, notamment de son adéquation avec la configuration requise. Les transistors bipolaires à porte isolée, également appelés IGBT, offrent indéniablement plusieurs avantages pour ce type de conception d’inverseur. Dans un même boîtier, ces dispositifs offrent les meilleures technologies de transistor à effet de champ (FET) et de transistor à jonctions bipolaires (BJT), ce qui permet d’assurer leur contrôle à l’aide d’un régulateur de tension, comme avec la technologie MOSFET, tout en présentant le niveau de passage de courant le plus élevé des transistors BJT. Ainsi, leur utilisation dans les alimentations électriques s’est rapidement développée et même s’il existe à présent un grand choix de transistors IGBT, il est évident qu’un même modèle ne peut pas convenir à toutes les applications. Cela se reflète non seulement dans les différences qui peuvent exister entre les inverseurs au sein d’une topologie centralisée ou distribuée, mais également dans l’optimisation des choix du type de transistor IGBT dans ces inverseurs. La gamme de transistors IGBT et MOSFET proposée par International Rectifier (IR) correspond parfaitement à ce scénario, comme illustré à la figure 1. Pour les transistors IGBT de type « high-side », le temps de commutation est crucial, c’est pourquoi le choix d’un transistor IGBT à commutation rapide permet de minimiser les pertes de commutation. La société IR a récemment mis sur le marché une nouvelle gamme de transistors IGBT, 600 V Trench, optimisés pour la commutation « high-side » à 20 kHz et pour les inverseurs cible utilisés avec les onduleurs (UPS) et les inverseurs pour panneaux solaires. En fait, l’utilisation de ces dispositifs pour ce type d’applications peut apporter un gain de rendement de près de 30 %. Pour créer la forme d’onde c.a., l’entrée c.c. depuis une batterie ou une cellule photovoltaïque passe par un inverseur en pont complet, comme illustré à la figure 1. Cette opération nécessite quatre transistors IGBT haute tension : Q1 et Q2 (appelés « high-side ») et Q3 et Q4 (appelés « low-side »). Pour créer l’onde c.a. sinusoïdale, une technique consiste à moduler la largeur d’impulsion des transistors « high-side » à 20 kHz et à commuter les transistors IGBT « low-side » sur la fréquence du réseau électrique voulue (généralement 50 ou 60 Hz). Concrètement, cela signifie que pendant l’alternance positive, la largeur d’impulsion du transistor Q1 est modulée à 20 kHz tandis Il n’est pas nécessaire d’optimiser la vitesse de commutation des différents dispositifs « low-side » de la même façon. Dans ce type d’application, les dispositifs recommandés seraient plutôt des transistors IGBT de vitesse standard, fabriqués selon un procédé planaire, contrairement aux dispositifs de type Trench utilisés pour la configuration « high-side ». Ces dispositifs sont optimisés pour des vitesses lentes et des pertes de conduction minimes, représentant de ce fait la solution la plus efficace. Les panneaux solaires PV sont de plus en plus utilisés, mais cette technologie peut encore être considérablement améliorée en termes de rendement. Le développement d’inverseurs plus performants constituera une étape cruciale dans l’évolution de la technologie PV et des autres formes d’énergie renouvelable. Pour plus d’informations sur la gamme de transistors IGBT et MOSFET proposée par la société IR dans le domaine de la technologie PV, consultez le site www.rswww.fr/ir eTech - NUMÉRO 2 17
