Pour les véhicules électriques (VE), l'efficacité est le mot d'ordre. Il existe de nombreuses façons d'améliorer l'efficacité, notamment au sein du groupe propulsion, l'un des domaines clés étant l'électronique de puissance. Parmi ces composants, l'onduleur principal est le plus puissant et offre les meilleures possibilités pour améliorer l'efficacité. L'onduleur principal est chargé de convertir la sortie CC de la batterie en entrée CA pour le moteur électrique. Ces dernières années, nous avons commencé à voir des semi-conducteurs à large bande tels que le carbure de silicium (SiC) adoptés dans les onduleurs des VE pour remplacer les transistors bipolaires à grille isolée en silicium (Si IGBT). L'utilisation du SiC permet d'obtenir des modules d'alimentation à plus haute densité pouvant fonctionner à des températures plus élevées, ce qui ouvre de nouvelles perspectives en matière de gestion thermique et des matériaux pour l'électronique de puissance des VE.

Malgré l'augmentation du coût des transistors à effet de champ métal-oxyde-semiconducteur (MOSFET) en SiC, leur pénétration sur le marché des VE a été importante. Selon la recherche IDTechEx, en 2020, les onduleurs MOSFET SiC représentaient près de 30 % du marché des VE à l'échelle mondiale. Tesla a lancé la tendance en 2018, d'autres comme BYD ont des véhicules sur les routes. Des géants comme Stellantis et Hyundai incluent l'électronique de puissance SiC dans les modèles à venir pour aider à activer leurs plateformes haute tension (800 V). Le nouveau rapport d'IDTechEx sur "Électronique de puissance pour véhicules électriques 2022-2032" prend en compte la transition vers le SiC en plus d'une analyse approfondie de l'électronique de puissance pour le marché des VE avec des exemples de modèles de VE, de la chaîne d'approvisionnement et des matériaux et innovations des boîtiers.

L'électronique de puissance des VE présente des défis intéressants en matière de gestion thermique et l'adoption du SiC modifie plusieurs aspects de la conception des modules et des boîtiers, ainsi que le choix des matériaux. Dans un boîtier traditionnel d'électronique de puissance, plusieurs points de défaillance potentiels se produisent lors du cycle thermique. Lorsque le boîtier se réchauffe et se refroidit, la différence de dilatation thermique entre les matériaux entraîne la dégradation de diverses connexions, notamment les liaisons filaires, la fixation de la puce et la fixation du substrat. Dans les boîtiers SiC, la densité de puissance et la température de fonctionnement peuvent être augmentées de manière significative, ce qui signifie que certaines options traditionnelles ne sont plus adaptées.

 

 

Aujourd'hui, les fils d'aluminium sont la technologie d'interconnexion dominante, mais ils constituent un point de défaillance courant. C'est pourquoi on utilise de plus en plus le câblage en alliage d'aluminium, en cuivre ou même le câblage direct en plomb. Les matériaux de fixation de puce sont également essentiels. Ils sont généralement réalisés avec une soudure traditionnelle, mais avec des températures de fonctionnement plus élevées (en particulier pour le SiC), la soudure SAC (étain-argent-cuivre) normale peut s'avérer peu fiable, ce qui a conduit à l'émergence d'alternatives telles que le frittage de l'argent, qui offre de bien meilleures performances en matière de cycle thermique. Le boîtier Tesla de STMicroelectronics utilise une combinaison de rubans de cuivre et de fils d'aluminium avec frittage d'argent pour sa fixation à la puce. Nous sommes très favorables à ces technologies alternatives émergentes. × l'avenir, nous verrons certainement l'adoption de ces options dans les boîtiers d'onduleurs afin de permettre une plus grande fiabilité dans des facteurs de forme plus petits avec un meilleur rendement.

 

× plus grande échelle, à l'instar de nombreuses batteries de VE, l'électronique de puissance des VE a tendance à être refroidie par liquide. En général, le liquide de refroidissement passe par les ailettes du dissipateur thermique sous le module. Si cette section de la gestion thermique de l'électronique de puissance n'est pas aussi innovante que les matériaux émergents à l'intérieur du boîtier, elle présente néanmoins des possibilités intéressantes d'intégration dans le véhicule. De nombreux véhicules utilisent le même circuit de refroidissement pour l'électronique de puissance et le moteur électrique. Par exemple, sur certains modèles, la chaleur résiduelle peut être récupérée de la chaîne cinématique pour être utilisée dans le chauffage de l'habitacle, ce qui permet de réduire les pertes et d'améliorer l'autonomie globale du véhicule, notamment par temps froid.

 

L'évolution de l'électronique de puissance, notamment vers les semi-conducteurs à large bande, transforme la gestion thermique et donc le paysage des matériaux dans l'électronique de puissance des VE. Le rapport "Gestion thermique pour véhicules électriques 2021-2031" d'IDTechEx couvre plusieurs cas d'utilisation dans les boîtiers de l'électronique de puissance des VE et étudie les tendances autour des options pour les liaisons filaires, la fixation par puce et les matériaux de substrat. En plus de l'électronique de puissance, le rapport examine en profondeur les stratégies de gestion thermique des batteries, des moteurs et de l'électronique de puissance, y compris les prévisions de marché jusqu'en 2031.