Projet conjoint "Transformateur électronique "SwiSS" mettant en œuvre des composants SiC"

Le raccordement d’un grand nombre de sources d’électricité renouvelables peut déstabiliser les réseaux électriques locaux en termes de tension et de surintensité. Pour surmonter ces défis, de nouvelles technologies plus souples, basées sur l’électronique de puissance, comme les transformateurs SST (solid-state transformer), sont nécessaires. Pour atteindre un meilleur rendement des convertisseurs électroniques de puissance, le nouveau matériau que représente le carbure de silicium (SiC) peut être employé pour créer des dispositifs semi-conducteurs actifs. Le SiC n’est toutefois pas encore aussi perfectionné que les technologies conventionnelles à base de silicium. Des recherches et des développements approfondis sont nécessaires pour obtenir des systèmes fiables et rentables en termes d’énergie et de coûts.

1. Étude des caractéristiques fondamentales du matériau SiC et développement de méthodes adéquates d’analyse de dispositifs et de fabrication.
2. Développement d’un nouveau système de refroidissement totalement passif pour les dispositifs SiC basés sur le concept de thermosiphon.
3. Développement et réalisation d’un transformateur SST 25 kW à haut rendement, à base de SiC, de 3,8 kV monophasé CA en 400 V CC.
4. Évaluation de l’application et de la durabilité d’un SST à base de SiC pour le futur réseau électrique suisse.

Plusieurs nouvelles technologies, contribuant à la réalisation de systèmes électroniques de puissance efficaces, compacts et fiables à base de SiC, ont été développées et ont fait l’objet d’une démonstration initiale. Les principaux résultats sont une nouvelle méthode d’analyse pour l’interface SiC/SiO2 dans les transistors SiC à effet de champ à grille isolée (MOSFET) utilisant un laser à électrons libres, une méthode de refroidissement totalement passive et néanmoins performante pour les dispositifs SiC, ainsi que la mise en évidence d’un transformateur SST CA/CC extrêmement compact basé sur les derniers MOSFET SiC 10 kV, qui atteignent une efficacité inédite (phase CA/CC : 99,1 % ; phase CC/CC : 99 %). Les différentes technologies ont été conçues pour être compatibles entre elles, afin de permettre des convertisseurs associant tous les avantages dans un seul système.

De plus, les potentielles futures applications de SST SiC en Suisse ont été évaluées avec l’exemple d’un réseau de distribution réel comportant 100 transformateurs. Dans l’éventualité d’une intégration massive d’installations PV conformément aux objectifs de la Stratégie énergétique 2050, les chercheurs recommandent la technologie de transformateur hybride pour stabiliser simultanément les réseaux moyenne et basse tension, tout en minimisant l’empreinte écologique globale.

Implications pour la recherche

En raison du caractère interdisciplinaire du projet, plusieurs domaines de recherche sont con-cernés : de nouvelles méthodes d’analyse des matériaux SiC sont désormais disponibles pour les chercheurs en SiC ; un concept de refroidissement ne consommant pas d’énergie a été présenté pour la première fois pour les dispositifs SiC ; la faisabilité de SST CA/CC hautement efficaces et extrêmement compacts à base de SIC a été démontrée, conjointement à des méthodes de caractérisation précise ; enfin, une méthode d’évaluation de la viabilité écologique globale des ressources basées sur le réseau a été définie.

Implications pour la pratique

Ces découvertes et développements technologiques peuvent être utilisés par les entreprises du secteur de l’électronique de puissance pour doper le développement de leurs propres technologies SiC et systèmes de refroidissement passif. En outre, les opérateurs de réseaux de distribution peuvent tirer profit des résultats de ce projet pour évaluer le nombre de sources d’énergie renouvelables que leurs réseaux sont capables d’intégrer, ainsi que pour déterminer quelles technologies sont les mieux adaptées pour éviter une déstabilisation du réseau.

"SwiSS Transformer" – Solid State SiC Transformer

Ce projet conjoint se compose de quatre projets de recherche

3.3kV SiC MOSFET and diodes for advanced power electronic systems

• Prof. Jens Gobrecht, Labor für Mikro- und Nanotechnologie, Paul Scherrer Institut, Villigen; Dr. Hans Sigg, Paul Scherrer Institut, Villigen

Integrated 3D Cooling SiC Power Module Packaging

• Prof. John R. Thome, Laboratoire de transfert de chaleur et de masse, EPF Lausanne

SwiSS Transformer - P3: 99% Efficient Solid State SiC Transformer Cell Demonstrator

• Dr. Dominik Bortis, Departement für Hochspannungstechnologie, ETH Zurich

Application and sustainability of SiC SSTs in the Swiss electrical grid

• Prof. Nicola Schulz, Institut für Aerosol- und Sensortechnik, Fachhochschule Nordwestschweiz, Hochschule für Technik, Windisch