L’Université de Kobe repousse les limites de l’électronique de puissance

Les chercheurs de l’Université de Kobe ont développé un nouveau convertisseur de puissance électrique qui offre une efficacité nettement supérieure à un coût et une maintenance réduits par rapport aux modèles précédents. Le dispositif promet de contribuer de manière significative au développement futur des composants électriques et électroniques dans des domaines (production d’énergie, santé, mobilité et technologies de l’information.)

Les dispositifs qui récoltent l’énergie de la lumière du soleil ou des vibrations, qui alimentent des appareils médicaux ou des voitures à hydrogène, ont tous un composant clé en commun : le convertisseur élévateur. En effet, il convertit une entrée de courant continu basse tension en une sortie de courant continu haute tension. Étant donné son omniprésence et son importance, il est souhaitable qu’il utilise le moins de pièces possible pour réduire les coûts et la maintenance, tout en fonctionnant avec la plus grande efficacité possible sans générer de bruit électromagnétique ni de chaleur.

Le principe de fonctionnement principal des convertisseurs élévateurs consiste à basculer rapidement entre deux états dans un circuit, l’un qui stocke l’énergie et l’autre qui la libère. Plus la commutation est rapide, plus les composants peuvent être petits et donc l’ensemble du dispositif peut être réduit. En revanche, cela augmente également le bruit électromagnétique et la production de chaleur, ce qui détériore les performances du convertisseur de puissance.

Une nouvelle conception de circuit prometteuse

L’équipe du chercheur en électronique de puissance de l’Université de Kobe, MISHIMA Tomokazu, a réalisé des progrès dans le développement d’un nouveau circuit de conversion de puissance à courant continu. Ils ont réussi à combiner une commutation à haute fréquence (environ 10 fois plus élevée qu’auparavant) avec une technique qui réduit le bruit électromagnétique et les pertes de puissance dues à la dissipation de chaleur, appelée « commutation douce », tout en réduisant le nombre de composants et, par conséquent, en maintenant un faible coût et une faible complexité.

Selon le Dr Mishima, « Lorsque le circuit passe d’un état à l’autre, il y a une brève période pendant laquelle le commutateur n’est pas complètement fermé, et à ce moment-là, il y a à la fois une tension et un courant à travers le commutateur. Cela signifie que pendant ce temps, le commutateur agit comme une résistance et dissipe donc de la chaleur. Plus un état de commutation change souvent, plus cette dissipation se produit. La commutation douce est une technique qui garantit que les transitions de commutation se produisent à une tension nulle, minimisant ainsi la perte de chaleur. »

Des résultats prometteurs et des perspectives d’avenir

L’équipe de l’Université de Kobe a présenté sa nouvelle conception de circuit et son évaluation dans la revue IEEE Transactions on Power Electronics. La clé de leur réussite réside dans l’utilisation de circuits «réservoirs résonnants» qui sont capables de stocker de l’énergie pendant la période de commutation et ont donc des pertes beaucoup plus faibles. De plus, ils utilisent une conception économe en composants avec des composants plats imprimés sur une carte de circuit, appelée « transformateur planaire », qui est très compacte et offre à la fois une bonne efficacité et de bonnes performances thermiques.

Mishima et ses collègues ont également construit un prototype du circuit et mesuré ses performances.

« Nous avons confirmé que notre conception sans snubber réduit considérablement le bruit électromagnétique et offre une efficacité énergétique élevée allant jusqu’à 91,3 %, ce qui est sans précédent pour un entraînement MHz avec un rapport de conversion de tension élevé. Ce rapport est également plus de 1,5 fois supérieur à celui des conceptions existantes », souligne le Dr Mishima. Ils souhaitent encore augmenter l’efficacité en réduisant la dissipation de puissance des composants magnétiques utilisés.

Compte tenu de l’omniprésence des appareils électriques dans notre société, le fonctionnement à haut rendement et à faible bruit des alimentations à courant continu avec un rapport multiplicateur de tension élevé est extrêmement important. Ce développement de l’Université de Kobe sera d’une grande pertinence pour les applications dans les domaines de l’énergie électrique, des énergies renouvelables, des transports, de l’information et des télécommunications ainsi que des soins médicaux.

Mishima explique leurs plans pour l’avenir : « Le développement actuel est un prototype de petite capacité de classe 100W, mais nous visons à étendre la capacité de puissance à une capacité de classe kW plus importante à l’avenir en améliorant la carte de circuit électronique et d’autres composants. »

Cette recherche a été menée en collaboration avec des chercheurs de l’Université nationale Chung Hsing.

Article : « MHz-Driven Snubberless Soft-Switching Current-Fed Multiresonant DC-DC Converter » – DOI: 10.1109/TPEL.2024.3380069