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Les convertisseurs de puissance face à l'évolution technologique

Les convertisseurs de puissance face à l'évolution technologique

Plus petit. Plus puissant. Plus intelligent

De nouveaux matériaux semi-conducteurs, des concepts de conception modulaires et l'intégration de fonctionnalités supplémentaires sont les moteurs de la prochaine étape évolutive des convertisseurs de puissance.

Les convertisseurs de puissance sont en pleine mutation : de nouveaux matériaux permettent des fréquences de commutation plus élevées et des conceptions plus compactes. Ces avancées technologiques stimulent en particulier les convertisseurs de puissance (convertisseurs CA/CC et CC/CC), qui constituent des composants essentiels des applications modernes telles que la mobilité électrique et les systèmes d'énergie renouvelable. Dans le sillage de cette évolution, les technologies de connexion innovantes, qui permettent une efficacité accrue, une miniaturisation et des fonctionnalités supplémentaires, gagnent également en importance.

Dans ce qui suit, nous mettons en lumière les principales évolutions technologiques dans le domaine des convertisseurs de puissance et montrons comment ces tendances influenceront durablement l'avenir de l'électronique de puissance.


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Les innovations technologiques caractérisent les convertisseurs de puissance modernes

Les convertisseurs de puissance au cœur de l'approvisionnement énergétique moderne

Fig. 1 : Configuration PCI (x8)
En régulant les niveaux de tension et en minimisant les pertes d'énergie, les convertisseurs de puissance constituent le cœur des systèmes d'alimentation électrique modernes. Le marché des convertisseurs de puissance offre des opportunités de croissance grâce à l'essor de la mobilité électrique, aux progrès de l'automatisation industrielle et au développement des systèmes d'énergie renouvelable. Les développements technologiques actuels dans le domaine des convertisseurs de puissance visent à répondre aux exigences croissantes en matière d'efficacité, de miniaturisation et de fonctionnalité.

Les nouvelles technologies des semi-conducteurs permettent d'atteindre des fréquences de commutation plus élevées et d'obtenir des conceptions plus compactes

L'utilisation de nouvelles technologies de semi-conducteurs telles que le carbure de silicium (SiC) et le nitrure de gallium (GaN) permet d'atteindre des fréquences de commutation nettement plus élevées, ce qui rend possible des conceptions plus compactes et plus efficaces, avec un temps de réponse et une précision de régulation améliorés. Les semi-conducteurs à large bande interdite (WBG), tels que le SiC et le GaN, présentent de meilleures propriétés électriques en termes de vitesse de commutation, de résistance diélectrique et de pertes, ce qui permet un fonctionnement plus efficace à des températures plus élevées. L'augmentation de la fréquence de commutation permet de réduire le poids et la taille des composants passifs, tels que les condensateurs, et de réaliser des conceptions plus compactes. 

Miniaturisation et amélioration de l'efficacité

Les nouvelles topologies de circuits ainsi que les progrès réalisés dans les technologies de fabrication se traduisent par des convertisseurs de puissance de plus en plus compacts et imposent des exigences élevées en matière de gestion thermique et de conception électrique, car les densités d'intégration élevées et les pistes conductrices plus courtes doivent permettre de réduire les pertes. L'utilisation de dissipateurs thermiques optimisés et de substrats métalliques isolés (IMS) renforce la fiabilité des convertisseurs de puissance et améliore la dissipation thermique. Des fonctions avancées de gestion de l'énergie permettent une adaptation dynamique de la consommation d'énergie en fonction de la charge. 

Modularisation et standardisation des sous-ensembles

Parallèlement, la modularisation prend de plus en plus d'importance. Grâce à des composants standardisés et à des systèmes modulaires, les modules peuvent être configurés et adaptés de manière flexible, et leur maintenance est simplifiée, ce qui réduit les délais de développement et les coûts.

Systèmes intelligents dotés de fonctionnalités avancées

Ces progrès sont complétés par des systèmes de plus en plus intelligents dotés de fonctions avancées de diagnostic et de surveillance, par des techniques de commande numériques ainsi que par l'intégration de fonctions avancées de sécurité et de protection. Les fonctions de diagnostic et de surveillance permettent une maintenance préventive et assurent une meilleure détection des défauts, tandis que les techniques de commande numériques permettent d'optimiser les performances des convertisseurs via des mises à jour logicielles. Les fonctions de protection contre les surintensités, la surchauffe et les surtensions garantissent une fiabilité accrue et une durée de vie prolongée des convertisseurs de puissance. 

Les défis liés à la chaîne d'approvisionnement et la pénurie de composants

Malgré les progrès technologiques, les fabricants de convertisseurs de puissance sont confrontés à des défis persistants au sein de la chaîne d'approvisionnement mondiale. La pénurie de composants essentiels – en particulier les semi-conducteurs de puissance, les composants passifs et les circuits intégrés de commande – entraîne des retards et une augmentation des coûts. Les semi-conducteurs modernes à large bande interdite, tels que le SiC et le GaN, sont particulièrement touchés, leur forte demande et leur fabrication complexe limitant leur disponibilité. Afin de garantir leur capacité de livraison, de nombreuses entreprises misent sur des stratégies telles que la diversification des fournisseurs, la fabrication régionale et les partenariats à long terme.

Les exigences posées aux techniques d'assemblage de demain  

Les évolutions technologiques décrites concernant les convertisseurs de puissance ont un impact direct sur les exigences en matière de connectique. Les exigences croissantes en matière de miniaturisation, d'efficacité et de fonctionnalité modifient non seulement la conception des circuits imprimés, mais aussi les exigences imposées aux connecteurs et aux composants de raccordement. Une caractéristique essentielle des convertisseurs de puissance modernes, tout comme celle des connecteurs modernes, réside dans leur polyvalence et donc dans leur capacité à s'adapter aux différentes exigences des divers secteurs.

Moins d'espace, plus de fonctionnalités : les connecteurs miniaturisés sont de plus en plus sollicités.

La tendance à la miniaturisation oblige les développeurs à optimiser chaque millimètre, y compris en matière de connectique. Sur les circuits imprimés hautement intégrés notamment, l'espace disponible pour les connecteurs est désormais très limité. Il faut donc des systèmes de connecteurs compacts mais performants, capables de transmettre des courants et des tensions élevés malgré leur petite taille, tout en garantissant une connexion électrique fiable.

Des charges plus importantes exigent des solutions plus robustes

Les exigences électriques croissantes – dues notamment à des fréquences de commutation ou des températures de fonctionnement plus élevées – augmentent également les contraintes mécaniques et thermiques auxquelles sont soumis les connecteurs. Il en résulte une demande croissante de solutions de connexion robustes, résistantes aux vibrations et aux variations de température, capables de fonctionner de manière fiable même dans des conditions d'exploitation difficiles. Les codages mécaniques, les systèmes de verrouillage et les géométries de contact optimisées contribuent à éviter les erreurs d’insertion et les problèmes de contact.

Une conception efficace grâce à des solutions d'assemblage modulaires

Les conceptions modulaires prennent de plus en plus d'importance dans l'électronique de puissance, car elles offrent flexibilité, évolutivité et rapidité d'adaptation. Pour la technologie de connexion, cela signifie que les systèmes de connecteurs doivent non seulement être fiables et performants, mais aussi évolutifs, personnalisables et faciles à entretenir. Ces exigences sont satisfaites par une large gamme de nombres de pôles et de formes, la possibilité de configurations spéciales ainsi que des mécanismes robustes lors des opérations de soudage et de connexion. Ainsi, les systèmes de connecteurs modulaires contribuent de manière décisive à prolonger la durée de vie des systèmes et à réduire le coût total de possession.

Les défis liés à la chaîne d'approvisionnement et la pénurie de composants

La pénurie mondiale de composants a également des répercussions notables sur la technologie de connexion. Les métaux précieux, les matériaux de contact spéciaux et les plastiques résistants à la chaleur sont non seulement plus difficiles à trouver, mais aussi nettement plus chers. Il en résulte des délais de livraison allongés, des coûts de matériaux plus élevés ainsi qu'une augmentation des coûts énergétiques dans le processus de fabrication. Afin de garantir la sécurité d'approvisionnement, des aspects tels que la collaboration étroite avec les fournisseurs, une planification anticipée ainsi que des stratégies de conception flexibles et adaptables prennent de plus en plus d'importance.

Comment les connecteurs modernes peuvent répondre à ces exigences

Outre les avancées technologiques et les exigences en matière de conception de systèmes électroniques performants, les facteurs économiques et stratégiques occupent une place de plus en plus importante. Les utilisateurs et les acheteurs attendent des solutions qui soient convaincantes sur le plan technique et qui soient également viables à long terme en termes de disponibilité, de normalisation et de coûts.

Une puissance élevée dans un espace réduit

    Lesconnecteurs à pas réduit sont parfaits pour une utilisation dans les convertisseurs de puissance ; ils ne nécessitent qu'un espace d'installation réduit sur le circuit imprimé et permettent ainsi de concevoir des modules électroniques particulièrement compacts et à haute densité de puissance. Le pas de 1,27 mm de la gamme One27 d'ept offre un compromis idéal entre miniaturisation, performances électriques et stabilité mécanique.

    Flexibilité grâce à un système modulaire

    Le système modulaire de la gamme One27 offre de nombreuses possibilités pour personnaliser les solutions de connexion. Un large choix de formes, de hauteurs et de nombres de pôles permet des espacements horizontaux continus entre les circuits imprimés de 8,0 à 20,00 mm, grâce à un recouvrement des contacts de 2,4 mm. Outre les connexions parallèles (horizontales), des dispositions à 90° et 180° sont également possibles, ce qui offre une grande flexibilité pour le placement des circuits imprimés. De plus, les connexions par câble offrent une disposition flexible du module, compensent les tolérances et permettent la mise en œuvre d’espacements individuels. Les câbles sont disponibles en différentes longueurs et avec différentes isolations, en fonction des exigences mécaniques ou thermiques. De plus, des configurations spéciales, telles que des configurations partielles ou des contacts décalés, sont réalisables afin de répondre de manière ciblée à des exigences électriques ou mécaniques spécifiques.
    Bild 2
    Gamme de produits One27

    Robustesse adaptée aux environnements difficiles

    La gamme de produits One27 se distingue par sa grande robustesse, ce qui est particulièrement important pour une utilisation dans le secteur automobile. Sur le plan mécanique, la gamme One27 séduit par sa grande résistance aux vibrations et sa stabilité, deux caractéristiques essentielles pour une utilisation dans le secteur automobile. Même dans des conditions difficiles, la connexion électrique reste fiable. De plus, la gamme One27 présente des caractéristiques mécaniques pratiques telles qu’un dispositif anti-rotation pour des connexions correctes, des ergots de positionnement pour un placement précis ainsi que des chanfreins d’insertion qui compensent les décalages angulaires et centraux lors de l’insertion. Ces caractéristiques facilitent le montage et garantissent une connexion sûre, précise et durable.
    De plus, le choix du matériau isolant est déterminant pour la résistance à la température. Le LCP (polymère à cristaux liquides) est parfaitement adapté aux températures d'utilisation comprises entre -55 °C et +125 °C grâce à sa classe d'inflammabilité UL 94 V 0 et répond aux exigences élevées de l'industrie automobile.

    capacité de transport de courant

    Abbildung2
    Figure xy : Capacité de courant par contact en fonction du nombre de pôles et du nombre de contacts conducteurs
    Grâce à des matériaux sélectionnés avec soin et à une géométrie de contact optimisée, la gamme de produits One27 permet de transmettre des courants élevés de manière fiable, sans surchauffe ni perte de puissance. La fabrication des contacts, en particulier l’emploi d’alliages de cuivre spéciaux, garantit une faible résistance de contact et une dissipation thermique efficace, assurant ainsi une connexion stable même dans des conditions de fonctionnement extrêmes.
     
    La capacité de conduction de courant dépend du nombre de pôles et du nombre de contacts conducteurs ; cela s’explique notamment par une formation réduite de points chauds à l’intérieur des connecteurs à faible nombre de pôles.

    Une chaîne d'approvisionnement fiable grâce à une production régionale

    Un autre avantage majeur de la gamme de produits One27 réside dans le fait que leur développement et leur production s'effectuent au sein de l'Union européenne, ce qui garantit une chaîne d'approvisionnement fiable avec des circuits courts. Cette fabrication régionale est synonyme de normes de qualité les plus élevées et assure en même temps la disponibilité des composants dans les délais impartis – un facteur décisif pour les fabricants qui doivent pouvoir compter sur des temps de réaction rapides.

    Conclusion et perspectives

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    Les convertisseurs de puissance constituent des éléments clés de l'approvisionnement énergétique moderne, de la mobilité électrique aux énergies renouvelables. Les développements futurs se concentrent sur une densité de puissance plus élevée, des formes compactes, de meilleurs rendements et une intelligence système accrue. De nouveaux matériaux semi-conducteurs tels que le SiC et le GaN amélioreront considérablement les performances et le comportement thermique.

    Parallèlement, les exigences en matière de technologie de connexion s’intensifient. Les connecteurs modulaires doivent allier une puissance électrique élevée et la communication de données au sein d’un système compact, robuste et flexible. Le système One27 d’ept répond parfaitement à ces exigences et constitue ainsi un facteur décisif pour la prochaine génération de convertisseurs puissants et pérennes. La technologie de connexion est aujourd’hui un moteur central de l’innovation et n’est plus une simple question secondaire.

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