Le convertisseur élévateur de tension à courant continu développé par l'université de Kobe présente un bruit électromagnétique considérablement réduit et un rendement énergétique élevé de plus de 91 %, ce qui est sans précédent pour un variateur MHz doté d'un rapport multiplicateur de tension élevé. Ce ratio est également plus de 1,5 fois supérieur à celui des conceptions existantes. Crédit : Mishima Tomokazu
Une nouvelle conception de convertisseur de puissance électrique développée par l'Université de Kobe offre une efficacité considérablement améliorée à un coût réduit et une maintenance réduite. Ce convertisseur élévateur de tension en courant continu devrait avoir un impact substantiel sur le développement de composants électriques et électroniques dans divers secteurs, notamment la production d'électricité, les soins de santé, la mobilité et les technologies de l'information.
Les appareils qui récupèrent l’énergie du soleil ou des vibrations, ou alimentent des appareils médicaux ou des voitures à hydrogène, ont un élément clé en commun. Ce soi-disant « convertisseur élévateur » convertit l’entrée de courant continu basse tension en sortie de courant continu haute tension. Parce qu'il s'agit d'un composant clé et omniprésent, il est souhaitable qu'il utilise le moins de pièces possible pour réduire la maintenance et les coûts et en même temps qu'il fonctionne avec la plus grande efficacité possible sans générer de bruit électromagnétique ou de chaleur. Le principal principe de fonctionnement des convertisseurs élévateurs est de changer rapidement entre deux états dans un circuit, l'un qui stocke l'énergie et l'autre qui la libère. Plus la commutation est rapide, plus les composants peuvent être petits et donc l'ensemble de l'appareil peut être réduit. Cependant, cela augmente également le bruit électromagnétique et la production de chaleur, ce qui détériore les performances du convertisseur de puissance.
L'équipe du chercheur en électronique de puissance de l'Université de Kobe, Mishima Tomokazu, a réalisé des progrès significatifs dans le développement d'un nouveau circuit de conversion de puissance en courant continu. Ils ont réussi à combiner la commutation haute fréquence (environ 10 fois plus élevée qu'auparavant) avec une technique qui réduit le bruit électromagnétique et les pertes de puissance dues à la dissipation thermique, appelée « commutation douce », tout en réduisant le nombre de composants et, par conséquent, en maintenant les coûts. et complexité faible.
L'équipe de l'Université de Kobe a présenté une nouvelle conception de circuit qui utilise des circuits à « réservoir résonant » capables de stocker de l'énergie pendant la période de commutation et ayant donc des pertes bien inférieures. De plus, ils utilisent une conception économe en composants avec des composants plats imprimés sur une carte de circuit imprimé, appelée « transformateur planaire », qui est très compacte et présente à la fois un bon rendement et de bonnes performances thermiques. Crédit : Mishima Tomokazu
«Lorsque le circuit change entre deux états, il y a une brève période pendant laquelle l'interrupteur n'est pas complètement fermé, et à ce stade, il y a à la fois une tension et un courant aux bornes de l'interrupteur. Cela signifie que pendant ce temps, l'interrupteur agit comme une résistance et dissipe ainsi la chaleur. Plus l’état d’un commutateur change souvent, plus cette dissipation se produit. La commutation douce est une technique qui garantit que les transitions de commutation se produisent à tension nulle, minimisant ainsi la perte de chaleur », explique le Dr Mishima. Traditionnellement, cet objectif était atteint grâce à des « amortisseurs », des composants qui offrent des puits d'énergie alternatifs pendant la période de transition, ce qui entraîne ensuite des pertes d'énergie.
Publication et développement de prototypes
L'équipe de l'Université de Kobe a présenté sa nouvelle conception de circuit et son évaluation dans la revue Transactions IEEE sur l'électronique de puissance. La clé de leur réalisation réside dans l’utilisation de circuits « à réservoir résonant » capables de stocker de l’énergie pendant la période de commutation et donc d’avoir des pertes bien moindres. De plus, ils utilisent une conception économe en composants avec des composants plats imprimés sur une carte de circuit imprimé, appelée « transformateur planaire », qui est très compacte et présente à la fois un bon rendement et de bonnes performances thermiques.
Mishima et ses collègues ont également construit un prototype du circuit et mesuré ses performances. « Nous avons confirmé que notre conception sans amortisseur présente un bruit électromagnétique considérablement réduit et une efficacité énergétique élevée pouvant atteindre 91,3 %, ce qui est sans précédent pour un variateur MHz avec un taux de conversion de tension élevé. Ce ratio est également plus de 1,5 fois supérieur à celui des conceptions existantes. Cependant, ils souhaitent augmenter encore l’efficacité en réduisant la dissipation de puissance des composants magnétiques utilisés.
Compte tenu de l’omniprésence des appareils électriques dans notre société, le fonctionnement à haut rendement et à faible bruit des alimentations en courant continu avec un rapport multiplicateur de tension élevé est extrêmement important. Ce développement de l'Université de Kobe sera d'une grande importance pour les applications dans les domaines de l'énergie électrique, des énergies renouvelables, des transports, de l'information et des télécommunications et des soins médicaux. Mishima explique ses projets pour l'avenir en déclarant : « Le développement actuel est un prototype de petite capacité de classe 100 W, mais nous visons à étendre la capacité de puissance à une capacité de classe kW plus grande à l'avenir en améliorant la carte de circuit électronique et d'autres composants. »
Cette recherche a été menée en collaboration avec des chercheurs de l’Université nationale Chung Hsing.
