Un moteur au carbure de silicium propulse un Cessna hybride 337 en Californie

Un Cessna 337 hybride a roulé sur une piste du sud de la Californie et s’est soulevé dans les airs. L’avion, un type couramment utilisé comme taxi aérien entre les îles, avait un moteur traditionnel alimenté au gaz dans le nez et un moteur électrique à l’arrière. Le moteur électrique était équipé d’un onduleur expérimental en carbure de silicium, ou moteur, conçu par le groupe de puissance UA.

Le vol d’essai a prouvé qu’un système d’entraînement moteur à base de carbure de silicium plus petit et plus efficace pouvait remplacer le système traditionnel à base de silicium d’un avion hybride.

« Nous avons été la première université à le faire pour un avion électrique hybride. C’est une plume dans notre casquette« , a indiqué Alan Mantooth, professeur de génie électrique et d’informatique et chercheur principal sur le projet.

Les résultats du vol d’essai, qui a eu lieu en 2023, viennent d’être publiés dans la revue IEEE Transactions on Power Electronics. Le projet a été soutenu par une subvention de l’Agence de projets de recherche avancée du ministère de l’Énergie, ou ARPA-E.

Les avantages du carbure de silicium

Les transistors sont la base des circuits électriques. Ils agissent comme des amplificateurs ou des commutateurs. Les micropuces de nos ordinateurs et smartphones, par exemple, contiennent des milliards de transistors, qui s’allument et s’éteignent pour créer le langage binaire de ceux et zéros. Aujourd’hui, la plupart des transistors sont en silicium, qui est produit par chauffage du sable purifié.

Un transistor ne s’éteint pas instantanément et ne s’allume pas. Dans la transition entre les deux états, qui ne dure qu’une fraction de seconde, l’énergie est perdue. Cette énergie perdue génère de la chaleur.

Les transistors en carbure de silicium peuvent basculer 1.000 fois plus vite que ceux en silicium. La vitesse de commutation plus rapide rend le transistor plus efficace, ce qui signifie que tous les autres composants, tels que les inducteurs, les transformateurs et les condensateurs, peuvent être considérablement plus petits et plus légers.

« Imaginez une voiture de course avec un gros moteur de 350 qui pèse des centaines de livres. Et si vous aviez le même pouvoir, mais je vous ai donné quelque chose qui vous tiendrait dans la main ? » précise Chris Farnell, professeur adjoint de génie électrique et d’informatique. Ce dernier a été le premier auteur sur l’article sur l’entraînement de moteur de plan électrique à base de carbure de silicium.

Le groupe UA Power est un leader reconnu dans la recherche et l’application de carbure de silicium.

Malgré ses performances supérieures, le coût plus élevé du carbure de silicium a entravé son adoption plus large. « Le silicium est fait de saleté, et rien n’est moins cher que la saleté« , a ajouté Alan Mantooth. Le coût de production du carbure de silicium a toutefois diminué. Et comme les transistors en carbure de silicium nécessitent des composants de support plus petits, le coût de l’ensemble du système est réduit.

« Si le système global devient moins cher, alors Ford s’en soucie, Toyota s’en soucie. C’est pourquoi il finit dans les voitures« , a commenté Alan Mantooth.

Les techniques de production actuelles de carbure de silicium ne sont pas encore suffisamment avancées pour produire économiquement les dispositifs à l’échelle nanométrique nécessaires aux micropuces informatiques. Cet automne, l’UA Power Group ouvrira le laboratoire de recherche et de fabrication en de multi-utilisateurs pour faire progresser la recherche sur la fabrication de carbure de silicium et servir de pont entre les chercheurs universitaires et les fabricants de semi-conducteurs.

Les défis de l’aviation

Pour le projet d’avion, le groupe UA Power a construit un onduleur à base de carbure de silicium, qui convertit le courant continu d’une batterie au courant alternatif nécessaire pour conduire un moteur.

La taille réduite d’un système à base de carbure de silicium est particulièrement avantageuse sur un petit avion, où l’espace est à la prime. « Vous êtes en mesure d’enlever des choses et de donner aux passagers plus d’espace pour les jambes« , a dit Chris Farnell. Le poids plus léger d’un système silicium-carbure signifie également que l’avion utilise moins d’énergie pour décoller et naviguer.

Les avions sont des véhicules difficiles pour les ingénieurs électriciens. Les systèmes électriques doivent avoir des supports mécaniques pour résister aux vibrations et au choc de l’atterrissage. À des altitudes plus élevées, l’air plus sec augmente la décharge partielle, ce qui peut dégrader l’isolation et causer des problèmes électrostatiques.

La vitesse de commutation plus élevée du carbure de silicium crée également plus d’interférences électromagnétiques, ce qui peut affecter d’autres systèmes dans l’avion.

Le vol d’essai réussi du Cessna 337 a prouvé que l’équipe du groupe de puissance de l’UA a relevé ces défis. Les chercheurs universitaires ne testent pas souvent leur travail en dehors du laboratoire. Même si la science n’exige pas un test sur le terrain, le groupe UA Power voit des avantages à faire passer son travail à ce stade lorsque cela est possible.

« Les étudiants ont acquis une expérience de deuxième à personne. Ils ont pu faire de l’ingénierie pratique en plus de leur travail scientifique, et ils ont continué et ont obtenu d’excellents emplois« , a conclu Alan Mantooth.

Article : « Development, Integration, and Flight Testing of a Silicon Carbide Propulsion Drive for a Hybrid Electric Aerospace Application » – DOI : 10.1109/TPEL.2025.3597905

Les autres auteurs de l’article étaient Anna Corbitt, Wesley G. Schwartz et Asif Faruque, étudiants diplômés de l’Université de l’Ontario au moment du travail; Yue Zhao et David Huitink, professeurs à l’U de A départements de génie électrique et d’informatique et de génie mécanique, respectivement; et Nenad Miljkovic de l’Université de l’Illinois Urbana-Champaign. Les partenaires de l’industrie étaient Ampaire et Wolfspeed.

Source : Arkansas U.