Semi-conducteurs : l'industrie automobile mène la révolution WBG

Roland Brüniger, l'Agence internationale de l'énergie (AIE) à Paris est le premier lieu pour l'observation et l'analyse de la consommation mondiale d'énergie. Quel est le rôle de l'AIE dans la recherche énergétique ? Et quelle est l'importance du groupe d'experts PECTA, qui travaille sous l'égide de l'AIE ?

De nombreux pays dans le monde font de la recherche dans le domaine de l'énergie afin de permettre la transition vers un approvisionnement énergétique durable. L'AIE soutient les échanges internationaux entre les chercheurs. C'est le but d'une quarantaine de programmes de collaboration technologique (Technology Collaboration Programmes, TCP), dans le cadre duquel des spécialistes de plusieurs pays échangent sur un thème donné. L'un de ces programmes  – Energie Efficient End-Use Equipment, en abrégé « 4E TCP – s'intéresse à l'efficacité énergétique des terminaux. Afin de faire avancer les travaux dans ce domaine, la Suisse a lancé le groupe de travail PECTA au sein du 4E TCP, en collaboration avec le Danemark, l'Autriche et la Suède. PECTA est l'abréviation de Power Electronic Conversion Technology Annex. Ce groupe de travail se consacre à l'efficacité énergétique dans le domaine de l'électronique de puissance. On entend par là les composants utilisés pour la commande et la conversion de l'énergie électrique.

Le PECTA se concentre sur un groupe de matériaux semi-conducteurs qui fonctionnent de manière plus efficace sur le plan énergétique que le silicium, qui est aujourd'hui le plus souvent utilisé dans les composants électroniques de puissance. Ces nouveaux semi-conducteurs sont regroupés sous le terme Wide-Bandgap/WBG. Ceux-ci – en particulier le carbure de silicium (SiC) et le nitrure de gallium (GaN) – ont un potentiel énorme pour réaliser des opérations de commutation électronique avec des pertes électriques réduites. De plus, à performances égales, les composants peuvent être plus petits et plus légers, ce qui réduit les besoins en matières premières. Le groupe de travail PECTA encourage l'échange international d'informations sur la recherche en matière de WBG, sensibilise les décideurs politiques aux possibilités offertes par cette nouvelle technologie et soutient des mesures à large spectre visant à accélérer l'introduction de la technologie WGB sur le marché.

En septembre 2023, l'European Conference on Power Electronics and Applications s'est tenue à Aalborg, au Danemark, et a réuni plus de 1’000 participants. L'état de la recherche sur les semi-conducteurs WBG y a été présenté. Où en est actuellement la technologie Wide Bandgap ?

Les semi-conducteurs WBG sont un sujet important dans la recherche et le développement. Le secteur automobile est actuellement le moteur technologique dans ce domaine. D'autres secteurs industriels réagissent encore avec prudence. Cela est principalement dû au fait qu'il existe encore peu d'expériences prouvant la fiabilité à long terme de ces composants.

Un travail de recherche impliquant l'EPFL, dont les résultats ont été présentés à Aalborg, a quantifié la densité de puissance et l'efficacité de chargeurs basés sur des semi-conducteurs traditionnels en silicium et sur de nouveaux semi-conducteurs GaN, et a démontré que les solutions GaN sont plus efficaces que les solutions en silicium à des puissances plus élevées et présentent un volume plus faible. Dans le cadre d'une autre collaboration entre l'Austrian Institute of Technology et la ZHAW, également présentée à Aalborg, l'augmentation du rendement des convertisseurs PV pour maisons individuelles avec de nouveaux matériaux WBG est prouvée par des montages et des mesures réels.

De tels résultats servent d'une part de base pour la standardisation et la réglementation. D'autre part, ils jettent les bases de la prochaine génération d'applications WBG, car PECTA est également soucieux d'échanger ses résultats avec l'industrie.

Dans quelles applications les composants électroniques à base de semi-conducteurs WBG sont-ils déjà présents ?

Des semi-conducteurs en GaN sont déjà utilisés dans les chargeurs. Mais jusqu'à présent, le principal domaine d'application des solutions WBG est, comme nous l'avons dit, l'industrie automobile. La Tesla 3 est équipée de convertisseurs WBG. La réduction des pertes et du poids qui en résulte se traduit par une plus grande autonomie. Outre l'augmentation de l'autonomie, les applications WBG sont de plus en plus répandues dans le secteur automobile pour une raison supplémentaire : les voitures sont relativement peu utilisées par rapport à leur durée de vie, soit seulement 3’000 à 6’000 heures au total sur la durée de vie d'une voiture. Dans les applications industrielles, en revanche, les convertisseurs sont soumis à des contraintes temporelles beaucoup plus importantes et les exigences en matière de longévité sont donc plus élevées.

Quelles économies d'énergie l'utilisation d'appareils basés sur des semi-conducteurs WBG permet-elle de réaliser ?

Un groupe de recherche de la FHNW a démontré que l'utilisation des technologies WBG présente un grand potentiel. Si les convertisseurs à base de silicium étaient remplacés par des semi-conducteurs WBG dans divers appareils électriques utilisés dans le monde entier en 2021, il aurait été possible d'économiser plus de 100 térawattheures (TWh) d'électricité par an dans le seul domaine des moteurs électriques. Cela correspond à la production de dix centrales nucléaires.

Le potentiel d'économie est encore plus considérable si l'on se tourne vers l'avenir : les installations photovoltaïques et les stations de recharge des voitures électriques vont se multiplier dans les années à venir. Si des convertisseurs WBG économiques y sont intégrés, nous pourrons économiser beaucoup d'électricité. L'étude de la FHNW chiffre le potentiel d'économie en 2050 à 270 TWh par an dans le seul domaine du photovoltaïque.

La technologie des semi-conducteurs est influencée par les entreprises technologiques de la Silicon Valley, ainsi que par les fabricants de Corée du Sud, de Chine, de Taïwan et du Japon. Comment le groupe de travail PECTA, soutenu par des États européens, peut-il exercer son influence dans ce contexte ?

Certes, PECTA est dirigé par quatre États européens, mais les résultats sont transmis aux 14 États membres de 4E. Cela signifie que des pays comme les États-Unis, le Canada, le Japon, la Corée, la Chine, l'Australie et la Nouvelle-Zélande sont toujours au courant des résultats du PECTA. En outre, des entreprises industrielles européennes ont également leur mot à dire dans l'industrie des semi-conducteurs. Pensez à l'allemand Infineon. Avec Hitachi Energy Semiconductors (anciennement ABB) à Lenzbourg, la Suisse possède également une industrie internationale de semi-conducteurs. En outre, plusieurs groupes internationaux qui fabriquent des semi-conducteurs WBG disposent de succursales en Europe.

Le travail de PECTA n'est pas lié à la production de semi-conducteurs en Europe. Si PECTA s'efforce de créer un climat ouvert et des conditions-cadres favorables à l'utilisation de semi-conducteurs WBG, cela favorisera toutes les solutions WBG, indépendamment de l'endroit où les appareils ou les composants semi-conducteurs qu'ils contiennent ont été fabriqués.

Où voyez-vous un besoin d'action supplémentaire pour ouvrir de nouveaux domaines d'application aux semi-conducteurs WBG ?

Outre les travaux visant à améliorer la fiabilité, l'une des priorités est d'initier une réflexion sur l'économie circulaire. Les composants de l'électronique de puissance doivent être conçus dès le départ de manière à ce que leur fabrication nécessite le moins de ressources possible, qu'ils aient une longue durée de vie et qu'ils puissent être recyclés en fin de vie avec le moins de déchets possible. Une deuxième attention est portée aux stations de recharge pour voitures électriques : celles-ci fonctionneront à l'avenir de manière bidirectionnelle, c'est-à-dire qu'elles permettront non seulement de recharger les voitures, mais aussi d'alimenter le réseau à partir de la batterie de la voiture. Les convertisseurs WBG trouveront ici un grand champ d'application. Et troisièmement, nous voulons également contribuer à l'exploitation du potentiel élevé des convertisseurs PV.

pecta.iea-4e.org