Un micro-onduleur embarquant des transistors GaN aux performances prometteuses

Publié le 26/07/2022

Le CEA à l’INES a réalisé un 1er prototype de micro-onduleur photovoltaïque de 400W constitué de transistors GaN réalisés par les laboratoires CEA du Leti.

Il offre une haute densité de puissance avec 1,1 kW/L et un rendement de 97 % (contre 0,3 kW/L et 95% pour des technologies classiques utilisant des composants silicium).

Les panneaux photovoltaïques génèrent un courant électrique continu. Un convertisseur de type onduleur est nécessaire pour les connecter au réseau électrique qui fournit lui un courant alternatif aux consommateurs. Cette étape de conversion entraine des pertes d’énergie qui peuvent être minimisées avec de nouveaux composants.

Les grandes centrales photovoltaïques au sol ainsi que les centrales installées sur des bâtiments tertiaires ou industriels sont équipés d’onduleurs « centralisés » ou « de chaine » et connectées au réseau électrique triphasé.

Pour les installations domestiques, le réseau électrique disponible est de type monophasé et basse tension. Les panneaux photovoltaïques installés en toitures sont potentiellement soumis à plus d’ombrages, induisant des pertes. De ce fait, il est intéressant d’associer un convertisseur à chaque panneau photovoltaïque permettant un fonctionnement indépendant entre modules, un rendement unitaire optimal et des opérations très modulaires (remplacement facilité). Ce type d’onduleur, d’une puissance de 200 à 500 W, est appelé micro-onduleur. Il est installé au dos de chaque panneau.

Ces équipements utilisent des composants clés : des semi-conducteurs de puissances.

Le CEA à l’INES développe des onduleurs de nouvelle génération pour diminuer le coût, améliorer les performances énergétiques et soutenir le réseau électrique. La compacité de ces objets est aussi un enjeu afin de maitriser les impacts sur les coûts d’installation et de maintenance des centrales, et minimiser l’utilisation de matières.

Nos recherches portent sur l’architecture électronique et font recours à des semi-conducteurs « grand gap » tels que le carbure de silicium (SiC) et le nitrure de gallium (GaN), notamment ceux développés dans les laboratoires du CEA-LETI à Grenoble.

La technologie GaN fait partie des technologies dites « grand gap » (semi-conducteurs à large bande), qui permettent de repousser les limites des semi-conducteurs de puissance utilisant du silicium.

Elle permet la miniaturisation, l’augmentation de l’efficacité énergétique tout en réduisant les coûts.

L’industrie photovoltaïque et automobile (avec les véhicules électriques) sont les principaux vecteurs de croissance de ces nouveaux convertisseurs à base de semi-conducteurs GaN ou SiC.

Le CEA-Leti dispose d’une épitaxie de pointe (600V et 1200V) et d’une technologie permettant de réaliser des diodes et des transistors de puissance GaN 600V plus performants que des équivalents silicium. Grâce à cette technologie coplanaire, il serait possible de rendre le composant de puissance « plus intelligent » avec des fonctions de protection (température, tension, courant, etc.) et de commande (driver). Il est aussi possible de concevoir des interrupteurs bidirectionnels en tension qui n’existent pas à l’heure actuelle.

Le CEA à l’INES a réalisé un banc de caractérisation dynamique haute température pour ces nouveaux transistors GaN, ainsi qu’un 1er prototype de micro-onduleur photovoltaïque 400W utilisant les transistors réalisés par le département Composants du CEA Leti. Ce micro onduleur est constitué de 2 étages de conversion :

  • Un étage DC/DC comportant 5 transistors GaN 100V
  • Un étage DC/AC comportant 4 transistors GaN 650V
Crédits : CEA
CEA : Le micro-onduleur délivre 420W sous 230 V-50Hz avec un bus DC intermédiaire réglé à 340V.
Crédits : CEA

Une 2ème génération de micro-onduleurs est prévue fin 2022, mettant en œuvre des transistors GaN optimisés. D’autres tailles d’onduleurs seront aussi visées afin de prouver le concept sur des puissances plus conséquentes.

Cette technologie devrait arriver sur le marché d’ici 2025-2027. En attendant, les chercheurs du CEA-Leti et du CEA-Liten à l’INES vont améliorer la technologie et développer un système de contrôle numérique intégré. L'équipe dévoilera de nouveaux prototypes dans les années à venir.

Ces travaux font l’objet de dépôts de brevets et de plusieurs articles et présentations à des conférences internationales (PCIM, EPE).

Références

[1] A. Bier, V. S. Nguyen, S. Catellani, and J. Martin, “Control of a two-stage, single-phase grid-tied, GaN based solar micro- inverter,” EPE2020
[2] N. V. Sang, A. Bier, R. Escoffier, S. Catellani, J. Martin, and C. Gillot, “A high precision dynamic characterization bench with a current collapse measurement circuit for GaN HEMT operating at 175°C,” p. 8. PCIM 2021
[3] V. S. Nguyen, S. Catellani, A. Bier, J. Martin, H. Zara, and J. Aimé, “A compact high-efficiency GaN based 400W solar micro inverter in ZVS operation,” PCIM, 2020.
[4] V.S NGUYEN, R.ESCOFFIER, S.CATELLANI, M.FAYOLLE-LECOCQ,J.MARTIN "Design, implementation and characterization of an integrated current sensing in GaN HEMT device by using the current-mirroring technique" EPE 2022

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