De l’électronique de puissance pour l’expansion du réseau électrique

L’Institut Fraunhofer pour les systèmes intégrés et la technologie des composants (IISB) d’Erlangen (Bavière) et le fabricant de substrats isolants curamik electronics GmbH s’allient dans le cadre d’un projet de recherche intitulé « APEx », portant sur l’optimisation de la fiabilité des modules de puissance grâce à une technologie de construction innovante. Le projet, qui se poursuivra jusqu’en octobre 2014, est financé par le Ministère fédéral de l’enseignement et de la recherche (BMBF) à hauteur de 1,3 million d’euros et coordonné par l’Institut Fraunhofer IISB.

Actuellement, les systèmes électroniques de puissance sont déjà présents tout au long de la chaîne de production d’énergie, de la centrale électrique au consommateur. Du fait de la décision du gouvernement fédéral d’étendre les réseaux d’électricité, ces systèmes deviennent de plus en plus importants. Les systèmes électroniques de puissance sont les éléments clés d’une transmission et d’une distribution efficaces de l’énergie électrique, et permettent d’assurer la stabilité du réseau. A l’heure actuelle, que ce soit dans les technologies d’entraînements industriels ou dans la technologie ferroviaire, les modules de puissance utilisés ont des tensions nominales allant jusqu’à 6,5 kV. Néanmoins, les nouvelles applications des technologies énergétiques posent des exigences beaucoup plus élevées en termes de stabilité de la tension électrique et de fiabilité du module. Un élément essentiel de ces modules consiste en des substrats isolants appelés DCB [1], sur lesquels se trouvent les conducteurs et les composants électroniques de puissance.

Le projet, soutenu par le BMBF dans le cadre de la Stratégie High Tech [2], vise entre autres à renforcer la position des fabricants allemands de modules de puissance au niveau international. En raison de la décentralisation actuelle de l’approvisionnement énergétique dans les secteurs de la moyenne et de la haute tension, une augmentation significative de la demande en cellules de commutation à durée de vie très longue est également prévue. A ce sujet, une valorisation économique significative est attendue dans les prochaines années. Pour parvenir à ce résultat, l’un des objectifs du projet est d’augmenter à 20 kV la stabilité de la tension électrique des céramiques d’isolation DCB actuellement disponibles, pour une utilisation dans la gamme des moyennes tensions. En outre, la durée de vie de ces substrats doit être significativement améliorée. Grâce au développement d’un environnement d’essai et de test approprié pour des modules de 20 kV, une base durable pour la R&D sera en outre créée.

La solution évidente d’un simple changement d’échelle des substrats d’isolation disponibles de 6,5 kV vers des classes de tension plus élevées n’est techniquement pas souhaitable. Pour atteindre les objectifs fixés, il est donc nécessaire de prendre en considération et d’optimiser l’ensemble du système « substrat isolant plus revêtement de surface ». A cette fin, des procédés en série pour le revêtement de substrats DCB ainsi que différents matériaux organiques et inorganiques pour la post-isolation de microfissures et de sillons peuvent entre autres être testés. Grâce à ces technologies, des modules plus résistants aux conditions environnementales et aux fatigues thermomécaniques peuvent être produits. En outre, des simulations informatiques permettent de qualifier les différents concepts relatifs à la répartition prévue du champ électrique et de la fatigue thermomécanique.

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[1] DCB signifie « Direct Copper Bonding », terme qualifiant des substrats à base de céramique recouverte de cuivre, utilisés couramment dans les modules de puissance en raison de leur bonne conductivité thermique.

Pour en savoir plus, contacts :

– [2] La Stratégie High Tech soutient, depuis août 2006, dans 17 thématiques d’avenir, le transfert des résultats de recherche dans des produits commercialisables, afin de renforcer la position de l’Allemagne dans les secteurs technologiques de pointe.

 

Pour plus d’information sur cette stratégie du gouvernement allemand, voir cette note sur le sujet: « Présentation de la Stratégie High Tech 2020 du gouvernement allemand » – 20/07/2010 – http://redirectix.bulletins-electroniques.com/58RFz
– Andreas Schletz, chef de projet – Institut Fraunhofer IISB – tél. : +49 911 23568-27 – email : andreas.schletz@iisb.fraunhofer.de

 

Sources :

« Leistungselektronik für den Netzausbau – Neuartige Aufbau- und Prüftechnik für extrem langlebige Hochspannungsmodule », communiqué de presse de l’Institut Fraunhofer IISB – 19/02/2013 – http://redirectix.bulletins-electroniques.com/kBdYl

 

Rédacteurs :

Hélène Benveniste, helene.benveniste@diplomatie.gouv.fr – https://www.science-allemagne.fr/