Secteur de l’énergie

Efficacité énergétique

Des objets toujours allumés

L’électronique de puissance couvre une très large gamme de puissance, allant des nanowatts aux kilowatts. Toutefois, quel que soit leur niveau de puissance, ces conceptions partagent un but commun : améliorer l’efficacité énergétique. Dans cet article, les ingénieurs de Tektronix vous font part de leur point de vue sur les tendances émergentes en matière de conception d’alimentations.

Lorsque l’on parle de l’efficacité énergétique d’une batterie, les appareils mobiles nous viennent aussitôt à l’esprit. Nous attendons de nos téléphones qu’ils nous offrent huit heures d’autonomie en utilisation, et ce dans un format compact et fonctionnel. Le rapport d’Ericsson sur la mobilité (Ericsson Mobility Report) paru en novembre 2017 fait état de cinq milliards d’abonnements mobiles haut débit dans le monde.

Alors que les smartphones continueront sans doute à être les premiers consommateurs de technologies de batterie et de gestion de l’alimentation, une nouvelle classe de périphériques connectés met aujourd’hui à l’épreuve les limites de la gestion de l’alimentation. Les estimations indiquent qu’en 2020, le marché comprendra 24 milliards de périphériques IoT connectés via une technologie sans fil.

La combinaison du simulateur 2281S-20-6 et du multimètre DMM7510 permet de composer une solution complète d’évaluation de la consommation d’énergie et de la durée de vie d’une batterie.

 

Nombre de ces périphériques n’auront pas accès au réseau électrique et tous devront pouvoir rester en marche en permanence, tout au moins dans une certaine mesure. C’est ce fonctionnement en continu de l’IoT qui exige aujourd’hui de nouvelles solutions en matière de mesure et de gestion d’alimentation. « Si vous concevez un périphérique IoT accroché à une plate-forme de forage pétrolière, vous ne disposez d’aucune ligne électrique et ce périphérique fonctionnera probablement sur batterie », explique l’ingénieur Tektronix Jay Shah. « Les considérations en matière de consommation électrique sont cruciales pour l’ensemble de ces périphériques IoT.

Battery-lifeOn parle ici de fonctionnement en veille profonde, avec des consommations tombant à des niveaux en nanoampères et picoampères.
En mode veille profonde, nombre de périphériques IoT consomment des courants en nanoampères et picoampères, mais lorsqu’ils effectuent des mesures et transmettent des données, la consommation peut être d’une fraction d’ampère.
« Bien évidemment, déterminer la consommation d’énergie de ces périphériques est absolument crucial, mais la très large plage opérationnelle des capteurs IoT rend très difficile la caractérisation de leur profil de consommation », explique Jay Shah.

La course internationale aux normes

En réponse à cette évolution technique, nombre de gouvernements mettent aujourd’hui en place de nouvelles normes d’efficacité énergétique plus strictes. Malheureusement, le rythme frénétique de publication de ces normes, et le nombre de parties impliquées, suffisent à embrouiller le plus expérimenté des concepteurs. Prenons par exemple les normes d’efficacité relatives aux alimentations externes (EPS, External Power Supply) (blocs d’alimentation ou « briques »).

Battery-lifeDiminuer la consommation en veille
En 2016, le Département américain de l'Énergie (DOE) a publié de nouvelles normes d’efficacité. Aujourd’hui, l’Europe va encore plus loin avec la très stricte directive Ecodesign. Les concepteurs doivent donc améliorer l’efficacité de leurs appareils, ce qui exige davantage de tests, tout particulièrement pour les alimentations électriques.
Et cette course aux normes ne se limite pas aux alimentations externes. Des normes nouvelles ou révisées paraissent sans cesse pour les appareils domestiques, les équipements industriels et les systèmes de CVC (chauffage, ventilation et climatisation). Ces normes proviennent de différents organismes, chacun avec sa propre juridiction. Outre les agences et organismes américains et européens, le CQC chinois a également été très actif dans la rédaction de normes. La commission californienne de l’énergie (California Energy Commission) joue aujourd’hui un rôle très dynamique, avec la publication de normes énergétiques plus strictes encore que celle du DOE. Chacune de ces normes est un document vivant ; les concepteurs doivent donc être vigilants et se tenir informés de leur évolution.

Électrification des véhicules

Une autre tendance majeure dans l’évolution des besoins de l’électronique de puissance provient du marché de l’automobile. Nombre d’acteurs de l’industrie automobile prédisent que les véhicules électriques finiront pas remplacer complètement les véhicules à combustion interne. Les convertisseurs DC/AC et les systèmes de gestion de batterie sont des composants essentiels des systèmes de traction de ces véhicules, bien entendu, mais d’autres tendances sont moins évidentes.

L’omniprésence de l’électronique dans les véhicules modernes impose aux concepteurs de penser avec soin la gestion de la consommation d’énergie. Le casse-tête du « toujours allumé » caractéristique des périphériques IoT est également présente dans les modules automobiles. Même lorsque la voiture est à l’arrêt, moteur coupé, de nombreux systèmes continuent à fonctionner en mode veille. (En réalité, nombreux sont ceux qui affirmeraient que la voiture est l’équipement IoT ultime !) Même dans le cas des véhicules à combustion interne, les concepteurs se doivent d’offrir des niveaux de sécurité et de confort de plus en plus élevés, sans épuiser la batterie.

Sur le chemin vers un parc automobile tout électrique, de nombreux hybrides feront certainement leur apparition. Ces véhicules intégreront des systèmes complexes de gestion et de conversion de l’énergie. En comparaison du bientôt obsolète système 12 volts, les véhicules électriques et hybrides de demain intégreront un grand nombre de bus d’alimentation. Certains exigeront peut-être une conversion DC/DC bidirectionnelle, avec une alimentation provenant d’un starter ou d’un générateur, de freins à récupération, de batteries ou même de cellules solaires.

La transition majeure vers le carbure de silicium (SiC) et le nitrure de gallium (GaN)

L’électronique de puissance évoluera de façon fondamentale au cours des cinq prochaines années, avec une utilisation croissante des technologies à semiconducteurs à large bande. De nouveaux matériaux semiconducteurs, tels que le carbure de silicium (SiC) et le nitrure de gallium (GaN), offrent une meilleure conductivité thermique, des vitesses de commutation supérieures et des dispositifs physiquement plus petits que le silicium.

Cette évolution au niveau des composants de base des alimentations électriques génère des conceptions entièrement nouvelles. Le GaN devrait notamment révolutionner le monde des alimentations électroniques (< 100 W environ). La technologie GaN bouleverse également le monde des amplificateurs de puissance RF, grâce à des attributs qui le rendent également bien adapté aux applications de conversion de puissance. Le SiC trouve son application dans les conceptions haute puissance, telles que les moteurs, les drivers et les onduleurs. « Nous avons observé cette année un vrai tournant avec l’arrivée du carbure de silicium dans de nombreux produits grand public », déclare Tom Neville, ingénieur Tektronix. « Le nitrure de gallium (GaN) est légèrement à la traîne. Le coût et la fiabilité sont clairement des facteurs clés. »
L’industrie des semiconducteurs travaille aujourd’hui au développement et à la promotion de ces nouveaux dispositifs d’alimentation à large bande interdite. Les ingénieurs de R&D dans le domaine des semiconducteurs travaillent à la validation et à la caractérisation des nouveaux composants.Les fabricants de drivers développent aujourd’hui de nouvelles commandes de grille capables de supporter les exigences d’une commutation rapide, de la gestion des EMI et de topologies plus sophistiquées. Les ingénieurs de production de ces entreprises doivent relever de nouveaux défis en termes de test de wafer, avec la nécessité de tester de façon approfondie des dispositifs de petite taille sur des gammes de tension et de courant plus étendues que jamais.

À l’autre bout de la chaîne de valeur, les concepteurs d’alimentations s’efforcent de mettre à profit les avantages des dispositifs GaN et SiC. (conceptions de conversion de puissance) Les règles empiriques qui s’appliquaient aux MOSFET en silicium doivent ici être repensées. Les concepteurs cherchent à réduire les temps morts sur les commutateurs en demi-pont, afin de minimiser les pertes de commutation. La capacité à déterminer et à évaluer le courant et la tension dynamiques sur l’ensemble de la conception est essentielle, mais difficile du fait des tensions de mode commun et des temps de montée très courts.
IsovuLes nouvelles techniques de sonde révèlent des détails auparavant inconnus sur le fonctionnement de la conception.
« Les tests sont aujourd’hui beaucoup plus importants qu’ils ne l’étaient auparavant », affirme Seshank Malap, ingénieur Tektronix. « L’efficacité et la densité énergétiques étant aujourd’hui cruciales, nous repoussons les limites pour utiliser les plus petits dispositifs possibles en matière d’applications de conversion de puissance. C’est là que les mesures et les tests prennent toute leur importance. Votre grille commute-t-elle exactement quand vous le souhaitez ? Le rapport cyclique permet-il d’optimiser l’efficacité de votre conception ? Le dispositif d’alimentation est-il capable de dissiper autant de chaleur que possible sans nécessiter de circuit de refroidissement ? »
« Et cela vaut également pour l’ensemble du circuit de temporisation, pas uniquement le dispositif concerné », ajoute Jay Shah. « Vous devez alors jongler simultanément avec de nombreux signaux différents et les coordonner, afin d’en déterminer la pertinence et de vous assurer qu’ils ne mettent pas le dispositif en marche lorsque vous ne souhaitez pas qu’il le soit. »

Selon M. Malap, les outils et les techniques de test traditionnels ne sont aujourd’hui plus suffisants face aux nouvelles tendances en matière de conception d’alimentations. « Avec les tests et les conceptions de convertisseurs de puissance traditionnels, nous étudions quelques signaux ici et là, puis nous estimions à la louche comment devaient se comporter les autres », explique-t-il. « Ce n’est plus le cas aujourd’hui. Ce ne serait pas seulement une mauvaise idée, mais cela risquerait de faire sauter tout le dispositif. »

Surfer sur la sixième vague

Le monde est de plus en plus connecté Nos technologies évoluent pour s’adapter à cette nouvelle situation, mais les outils et les techniques d’ingénierie doivent aussi le faire. Sans la capacité de mesurer les valeurs critiques et de garantir la fonctionnalité des dispositifs importants, notre progression s’arrêtera là.

« Toutes ces problématiques peuvent se résumer à la nécessité d’optimiser la consommation d’énergie et le traitement des alimentations en général », affirme M. Malap, « et c’est ce que je trouve de plus passionnant aujourd’hui. »

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