Le CEA-Leti et Valeo, deux spécialistes de l’électronique de puissance, ont annoncé le 13 septembre avoir signé un accord de collaboration sur le sujet. Objectif: concevoir les prochaines générations de ces composants indispensables à la fabrication de voitures électriques, entre autres. Philippe Despesse, adjoint aux programmes de la division systèmes du CEA-Leti, explique à L’Usine Nouvelle les enjeux de ce domaine devenu stratégique. Et les axes de recherche des nouveaux partenaires.
L’Usine Nouvelle. – Pourquoi ce regain d’intérêt pour l’électronique de puissance?
Philippe Despesse. – Ce domaine n’est pas nouveau: l’électronique de puissance remonte aux années 1950. Sa particularité est de pouvoir supporter de très hautes tensions et courants, de quelques centaines de volts jusqu’à 1 kilovolt, voire beaucoup plus. Dans le ferroviaire par exemple, c’est ce qui permet de transformer le courant continu et haute tension du caténaire en des tensions alternatives pour alimenter le moteur du train ou les prises basse tension des passagers.
Jusqu’à présent, l’électronique de puissance était surtout réservée à l’industrie – avec des clients comme RTE, EDF et Alstom – qui représentait des volumes conséquents, mais des enjeux de coût restreints. Aujourd’hui, on se tourne de plus en plus vers la grande consommation. Ceci a démarré avec l’alimentation des ordinateurs et des télévisions, qui doivent tenir quelques centaines de watts: des applications pour lesquelles des composants basiques fonctionnaient bien. L’essor du véhicule électrique et leur production à très gros volumes vont changer cela.
Cela devient donc un nouveau domaine stratégique?
Jusqu’à présent, l’électronique de puissance était surtout réservée à l’industrie. Aujourd’hui, on se tourne vers la grande consommation
Exactement. De la même manière qu’il y a une vingtaine d’années, le marché des téléphones portables a entraîné des efforts de R&D massifs dans les technologies numériques et télécoms. Il fallait des investissements colossaux et, même si le marché des ordinateurs était porteur, c’est la téléphonie qui a permis de passer sur de très grands volumes. Dans l’électronique de puissance, c’est le véhicule électrique qui prend le relais et tracte cette industrie.
CEA-Leti Les principes physiques restent les mêmes: convertir une puissance électrique implique des enjeux de dissipation thermique et de rendement. Mais ce nouveau marché accompagne l’arrivée de nouveaux composants et matériaux. C’est le cas du nitrure de gallium ou du carbure de silicium, dont on parle depuis vingt ans mais qui n’avaient pas émergé, et qui vont permettre de répondre aux très forts volumes avec des performances prometteuses. Ces composants dits grand gap vont permettre de faire des dispositifs spécifiques, qui coûtaient jusqu’à présent trop cher à mettre en œuvre, et dont le retour sur investissement ne justifiait pas la création d’usines. C’est le problème de la microélectronique et de l'industrie des semi-conducteurs: tant qu’il n’y a pas de gros volumes, il est compliqué de faire des usines car celles-ci demandent des centaines de millions, voire des milliards d’euros d’investissement.
Où se cache l’électronique de puissance dans une voiture électrique?
On la retrouve à trois endroits différents. D’abord, il faut transformer la tension délivrée par le réseau pour l’adapter à la tension de la batterie, pour cela nous avons besoin d’un convertisseur: le chargeur. Ensuite, il faut alimenter le moteur depuis la batterie. Il faut alors un onduleur, qui transforme la tension continue de la batterie vers le courant alternatif du moteur. Enfin, il faut encore convertir la tension du pack batterie vers une tension plus faible pour alimenter les accessoires du véhicule: les phares, le tableau de bord ou encore l’électronique des systèmes d’infodivertissement et les essuie-glaces.
Quels seront les principaux objectifs de votre partenariat avec Valeo?
Nous allons nous attaquer à l’industrialisation, notamment pour optimiser les composants de commutation de puissance de la chaîne de traction. Cela implique d’améliorer les process industriels de la microélectronique pour créer ces composants, avec l’objectif de transférer ces technologies vers les gens dont c’est le métier, comme par exemple STMicroelectronics.
Ce n’est pas le tout de faire des composants en salle blanche, il faut [...] qu’ils soient utilisables dans des véhicules électriques ou des serveurs.
L’autre partie de notre partenariat s’intéresse aux systèmes. Ce n’est pas le tout de faire des composants en salle blanche, il faut qu’ils s’intègrent dans le marché, qu’ils soient utilisables dans des véhicules électriques ou des serveurs – qui tirent aussi la demande. Nous cherchons à ajuster les composants pour les adapter aux applications finales, en avance de phase. Ainsi, nous allons pouvoir adapter un transistor selon les besoins finaux de Valeo par exemple. Cela peut aussi toucher le packaging, le routage, la disposition des composants, le refroidissement, etc. C’est ainsi, en collaboration avec les industriels, que l’on atteint des solutions optimales. Et c’est en partie là-dedans que s’intègre notre partenariat avec Valeo.
Quels outils déployez-vous dans ce cadre?
Nous sommes notamment en capacité de réaliser le jumeau numérique d’un convertisseur de puissance complet, ce qui demande de la simulation d’une extrême finesse ainsi que des modèles précis des composants et de ce qui les environne, comme les composants passifs, le moteur et les batteries. Cela permet d’appréhender la bonne architecture à mettre en œuvre et de faire des essais numériques afin de viser juste plus facilement et plus rapidement. Toujours avec l’objectif d’améliorer le rendement du convertisseur, sa compacité, sa fiabilité et le coût de la solution finale.
Rendement et coût sont vos points cardinaux?
Nous cherchons bien sûr à améliorer les rendements de conversion: chaque watt de gagné en rendement permet de limiter les besoins en refroidissement, et également d'éviter de produire de l’électricité qui sera perdue par des millions de véhicules. La bonne nouvelle est que l’auto va tirer ces progrès d’efficacité énergétique dans l’électronique de puissance de manière générale, qui auront des retombées sur l’ensemble de l’industrie.
Ensuite, les enjeux se situent au niveau du coût, de la taille et du poids des composants. Et du système de refroidissement qui va avec. Avec le véhicule électrique, un nouvel enjeu apparaît car, contrairement à une voiture thermique, la batterie d’une voiture électrique peut fonctionner tout le temps: on roule, on charge et on voit même apparaître des flux bidirectionnels pour équilibrer le réseau [dits vehicle to grid, ndlr]. Il y a un vrai enjeu de fiabilité à ce niveau, car nous passons de quelques milliers d’heures de fonctionnement à plusieurs dizaines de milliers d’heures. Nous cherchons aussi à développer des process industriels compatibles avec les chaînes de production en France, pour utiliser au maximum les outils industriels existants.
