Source : ines-solaire.org
Le CEA de l’INES a produit le premier prototype d’un micro-onduleur photovoltaïque de 400W fabriqué avec des transistors GaN développés par les laboratoires du CEA au Leti.
Il offre une densité de puissance élevée de 1,1 kW/L et un rendement de 97 % (contre 0,3 kW/L et 95 % pour les technologies conventionnelles utilisant des composants en silicium).
Les panneaux photovoltaïques génèrent un courant électrique continu. Un onduleur est nécessaire pour les connecter au réseau électrique, qui fournit un courant alternatif aux consommateurs. Cette étape de conversion entraîne des pertes d’énergie qui peuvent être minimisées avec de nouveaux composants.
Les grandes centrales photovoltaïques au sol ainsi que les installations installées sur des bâtiments tertiaires ou industriels sont équipées d’onduleurs « centralisés » ou « à chaîne » et connectées au réseau électrique triphasé.
Pour les installations domestiques, le réseau électrique disponible est monophasé et basse tension. Les panneaux photovoltaïques installés sur les toits sont potentiellement soumis à plus d’ombrage, entraînant des pertes. Par conséquent, il est intéressant d’associer un onduleur à chaque panneau photovoltaïque permettant un fonctionnement indépendant entre les modules, un rendement unitaire optimal et des opérations très modulaires (remplacement facile). Ce type d’onduleur, d’une puissance de 200 à 500 W, est appelé micro-onduleur. Il est installé à l’arrière de chaque panneau.
Cet équipement utilise des composants clés : des semi-conducteurs de puissance.
Le CEA de l’INES développe des onduleurs de nouvelle génération pour réduire les coûts, améliorer la performance énergétique et soutenir le réseau électrique. La compacité de ces objets est également un enjeu afin de contrôler l’impact sur les coûts d’installation et de maintenance des centrales électriques, et de minimiser l’utilisation de matériaux.
Nos recherches portent sur l’architecture électronique et utilisent des semi-conducteurs « à grand écart » tels que le carbure de silicium (SiC) et le nitrure de gallium (GaN), notamment ceux développés dans les laboratoires CEA-LETI de Grenoble.
La technologie GaN est l’une des technologies dites « à large écart » (semi-conducteurs à large bande), qui repoussent les limites des semi-conducteurs de puissance utilisant du silicium.
Il permet la miniaturisation et l’augmentation de l’efficacité énergétique tout en réduisant les coûts.
Les industries photovoltaïque et automobile (avec les véhicules électriques) sont les principaux moteurs de croissance de ces nouveaux convertisseurs à base de semi-conducteurs GaN ou SiC.
CEA-Leti dispose d’une épitaxie de pointe (600V et 1200V) et d’une technologie permettant de produire des diodes GaN 600V et des transistors de puissance qui surpassent les équivalents en silicium. Avec cette technologie coplanaire, il serait possible de rendre le composant d’alimentation « plus intelligent » avec des fonctions de protection (température, tension, courant, etc.) et de contrôle (conducteur). Il est également possible de concevoir des interrupteurs de tension bidirectionnels qui n’existent pas à l’heure actuelle.
Le CEA de l’INES a construit un banc de caractérisation dynamique à haute température pour ces nouveaux transistors GaN, ainsi que le premier prototype d’un micro-onduleur photovoltaïque de 400 W utilisant les transistors fabriqués par le département composants du CEA Leti. Ce micro-onduleur se compose de deux étapes de conversion :
- Un étage DC/DC comprenant 5 transistors GaN 100V
- Un étage DC/AC comprenant 4 transistors GaN 650V
Une deuxième génération de micro-onduleurs est prévue pour la fin de 2022, utilisant des transistors GaN optimisés. D’autres tailles d’onduleurs seront également ciblées afin de prouver le concept sur des puissances plus élevées.
Cette technologie devrait arriver sur le marché d’ici 2025-2027. Entre-temps, les chercheurs du CEA-Leti et du CEA-Liten de l’INES amélioreront la technologie et développeront un système de contrôle numérique intégré. L’équipe dévoilera de nouveaux prototypes dans les années à venir.
Ce travail fait l’objet de brevets et de plusieurs articles et présentations lors de conférences internationales (PCIM, EPE).
