De l’électronique de puissance GaN pour la recharge bidirectionnelle monophasée en courant continu des véhicules électriques

Des chercheurs de l’Institut Fraunhofer de physique des solides appliquée IAF ont développé un module d’électronique de puissance à base de nitrure de gallium (GaN) pour les systèmes de charge bidirectionnelle en courant continu (CC) de 800 V. Ce module fait partie du projet GaN4EmoBiL (« Semi-conducteurs de puissance GaN pour la mobilité électrique et l’intégration systèmes via la charge bidirectionnelle ») financé par le ministère fédéral de l’Économie et de l’Énergie (BMWE). Le partenaire du projet, Ambibox GmbH, a intégré le module dans le démonstrateur d’un chargeur bidirectionnel monophasé hors-bord pour véhicules électriques (VE).

Le module de Fraunhofer IAF utilise des dispositifs GaN 1200 V fabriqués sur un substrat isolant. Les propriétés supérieures de ces dispositifs seront évaluées par leur utilisation dans le démonstrateur avec des tensions de batterie allant de 150 V à un maximum de 920 V. Ce développement réussi souligne l’immense potentiel que l’électronique de puissance à base de GaN représente pour l’avenir de la mobilité électrique.

Chargeur CC bidirectionnel monophasé 800 V pour une puissance de 3 kW

« Le démonstrateur monophasé d’un chargeur hors-bord pour VE avec jusqu’à 3 kW de puissance bidirectionnelle comble un vide existant dans l’équilibre entre coût, flexibilité, efficacité et compacité pour la charge bidirectionnelle », explique le Jun.-Prof. Dr. Stefan Mönch, coordinateur du projet GaN4EmoBiL.

Actuellement, les véhicules électriques sont équipés de chargeurs embarqués fixes qui convertissent le courant alternatif (CA) d’une prise domestique ou d’une borne publique en courant continu (CC) nécessaire à la voiture électrique, par exemple à une puissance de 11 ou 22 kW pour la charge rapide.

Cependant, les chargeurs embarqués entraînent des coûts élevés en raison de leur taille, de leur poids et de leur complexité technique. Le chargeur hors-bord développé dans le cadre de GaN4EmoBiL représente une alternative nettement plus abordable et flexible : bien que sa puissance de sortie de 3 kW entraîne une vitesse de charge plus lente que les systèmes de charge embarqués, il est mobile, beaucoup plus compact, léger et polyvalent grâce à sa prise CCS (Combined Charging System) et sa prise Schuko. Le démonstrateur a un volume total de 8,3 litres et un poids total (prises incluses) de 5,7 kg.

Un autre avantage est sa capacité de charge bidirectionnelle. « La charge bidirectionnelle à hautes tensions inverses, rendue possible par le système de charge GaN démontré, est un pilier clé pour rendre le système énergétique plus flexible », souligne Achim Lösch, développeur commercial pour l’électronique haute fréquence et de puissance chez Fraunhofer IAF. Grâce à la charge bidirectionnelle, une voiture électrique peut fonctionner non seulement comme moyen de transport mais aussi comme dispositif de stockage d’énergie. En période de suroffre, elle puise l’énergie du réseau ; en période de pointe, elle réinjecte l’énergie dans le réseau.

Électronique de puissance GaN pour la technologie énergétique

« À Fraunhofer IAF, nous développons des dispositifs GaN innovants et des circuits intégrés de puissance (GaN power ICs) qui sont non seulement efficaces mais aussi font progresser considérablement la miniaturisation au niveau système grâce à l’intégration fonctionnelle », explique le Dr. Michael Basler, chercheur dans le domaine de l’électronique de puissance GaN chez Fraunhofer IAF. « Parallèlement, nous faisons progresser l’évolutivité de ces technologies en termes de classe de tension, de capacité de courant et de taille de plaquette. Notre objectif : des performances de semi-conducteurs à large bande interdite au prix du silicium. »

Fraunhofer IAF présentera un aperçu de ses activités de recherche et développement dans le domaine de l’électronique de puissance GaN lors du PCIM Expo & Conference de cette année, qui se déroule du 9 au 11 juin 2026 à Nuremberg et se concentre sur le thème « Électronique de puissance pour la technologie énergétique » en 2026. Lors de l’exposition, Fraunhofer IAF présentera divers composants et modules d’électronique de puissance à base de GaN sur le stand 260 dans le Hall 6 — le point fort étant le démonstrateur de système de charge bidirectionnel pour VE. Pendant la conférence, quatre chercheurs de Fraunhofer IAF présenteront leurs travaux actuels lors de conférences et de sessions posters.

À noter tout particulièrement la présentation principale du Dr. Michael Basler le 9 juin à 9h45 : « L’évolution du GaN : latéral, vertical et bidirectionnel – quelle est la prochaine étape ? » Cette année, cette présentation ouvrira la conférence PCIM. Basler y donnera un aperçu du développement des transistors GaN pour l’électronique de puissance à ce jour, expliquera leurs avantages et se projettera vers les innovations à venir.

Le Dr. Richard Reiner fera deux présentations : le 9 juin à 11h40, il comparera deux concepts différents pour les dispositifs GaN (« GaN-HEMTs vs. GaN-Bricks »), et le 10 juin à 10h25, Reiner interviendra sur la Technology Stage à propos de « Augmenter la puissance des technologies GaN ». De plus, Reiner participera à la table ronde « Quoi de neuf, quelle est la suite pour le GaN ? » organisée par Bodo’s Power Systems le 11 juin à 11h45.

Le Jun.-Prof. Dr. Stefan Mönch participera à la session posters « Advanced Power Devices » le 10 juin entre 12h45 et 14h15 dans le Hall 4A. Il présentera son poster « Un onduleur triphasé 600 V sous forme de circuit intégré convertisseur de puissance GaN sur substrat isolant sans polarisation de substrat. » Daniel Fugmann présentera son poster « L’influence des plaques de champ sur le RON dynamique dans les commutateurs bidirectionnels monolithiques à base de GaN » lors de la session posters « Dispositifs GaN et commande », qui aura lieu le 10 juin entre 15h30 et 17h00 dans le Hall 4A.

Électronique de puissance GaN pour la société tout électrique

L’une des exigences technologiques clés de la société tout électrique est le développement continu d’une électronique de puissance toujours plus puissante et efficace, en particulier dans les systèmes de conversion et de stockage d’énergie. Dans ces applications, les composants d’électronique de puissance représentent un goulot d’étranglement : la tension maximale qu’un convertisseur peut supporter est généralement déterminée par la tension de claquage des semi-conducteurs utilisés, définissant ainsi une limite critique du système. Par conséquent, les performances de ces composants sont déterminantes pour les performances de l’ensemble du système.

En raison de ses propriétés physiques, le GaN permet des avancées significatives dans l’électronique de puissance pour les applications de conversion d’énergie. Les composants à base de GaN permettent le développement de systèmes plus rapides, plus compacts et plus efficaces. Dans le domaine de l’électromobilité, le GaN ouvre la voie à l’utilisation de l’électronique de puissance dans les classes de tension allant jusqu’à 1200 V et, à l’avenir, jusqu’à 1700 V, grâce à sa combinaison de performances, d’efficacité et de coûts réduits.

De tels systèmes hautes performances ont un impact positif à la fois sur l’autonomie des véhicules électriques et sur leur rapport coût-efficacité. Ils contribuent à établir davantage la mobilité électrique dans un segment plus large de la société.

À propos du projet GaN4EmoBiL

L’objectif du consortium GaN4EmoBiL est de démontrer un système de charge bidirectionnel intelligent et économique utilisant de nouvelles technologies de semi-conducteurs, de composants et de systèmes. À cette fin, les partenaires du projet recherchent de nouveaux dispositifs semi-conducteurs (transistors haute tension GaN sur des substrats alternatifs économiques), des concepts de composants (interrupteurs de puissance bloquants bidirectionnels) et de nouveaux composants système (chargeurs CA et CC embarqués et hors-bord), y compris leur fiabilité pour des durées de fonctionnement considérablement prolongées.

Les démonstrateurs visent à combler le vide restant en matière de recherche et développement qui existe actuellement dans la tension entre coût, efficacité, compacité, fonctionnalité, classe de puissance et classe de tension (batteries 800 V). Ainsi, GaN4EmoBiL apporte une contribution importante à l’intégration bidirectionnelle à grande échelle dans la mobilité électrique.

Le projet GaN4EmoBiL est financé par le BMWE dans le cadre du programme « Elektro-Mobil ».

Source : Fraunhofer Institut