Pour remédier aux inefficacités dans la transmission de l’électricité sur les réseaux intelligents, les ingénieurs de Laboratoire national Lawrence Livermore (LLNL) et leurs collaborateurs ont développé un interrupteur activé par la lumière qui, s’il est entièrement déployé, pourrait réduire les émissions de carbone de plus de 10 %.
Capable d’envoyer du courant continu à haute tension le long des lignes du réseau et de commuter des tensions élevées jusqu’à 10 fois plus rapidement que les dispositifs à semi-conducteurs actuels, la technologie de type transistor a été concédée sous licence à une société californienne pour la commercialisation. L’appareil est décrit dans un article publié en ligne par Rapports scientifiques.
Les ingénieurs du Lawrence Livermore National Laboratory et leurs collaborateurs ont développé un interrupteur activé par la lumière qui, s’il est entièrement déployé sur le réseau électrique, pourrait réduire les émissions de carbone de plus de 10 %.
Le scientifique du LLNL, Stephen Sampayan, chercheur principal d’origine du projet, a déclaré que l’appareil pourrait être utilisé pour contrôler et transmettre efficacement l’énergie avec des pertes d’énergie nettement inférieures. En permettant à plus d’énergie de circuler dans le réseau électrique, le déploiement des appareils dans les réseaux intelligents entraînera moins de création de dioxyde de carbone pour la quantité d’énergie utilisée. Les chercheurs ont conclu que cela pourrait potentiellement réduire des milliards de tonnes métriques de CO2 d’être publié dans le monde chaque année.
« Un nouvel appareil haute tension plus rapide, semblable à un transistor, arrive à maturité », a déclaré Sampayan. « La véritable avancée réside dans le fait que c’est la première fois que nous sommes en mesure de faire de la conduction électrique en masse avec un contrôle de la lumière. La plupart des interrupteurs d’éclairage qui existent maintenant ont été utilisés comme interrupteurs marche-arrêt, et vous n’avez pratiquement aucun contrôle sur eux. C’est plus qu’un interrupteur marche-arrêt – cette technologie donne aux utilisateurs la possibilité de contrôler l’alimentation plus efficacement, imitant essentiellement un transistor.
Le commutateur à conduction en vrac breveté LLNL est commercialisé par Opcondys, Inc., une société basée à Manteca, en Californie. Photo avec l’aimable autorisation d’Opcondys.
La technologie brevetée LLNL est commercialisée par Opcondys Inc., une société basée à Manteca, à seulement 35 miles à l’est de Livermore dans la vallée centrale de la Californie. La société est en train de tester le matériel avec un financement de l’Agence pour les projets de recherche avancée-Énergie (ARPA-E) Création de circuits innovants et fiables à l’aide de topologies et de semi-conducteurs inventifs (CIRCUITS) programme. Opcondys prévoit de se lancer dans la fabrication et la production plus tard cette année.
Alimenté par des diodes laser, le dispositif est fabriqué à partir de cristaux de carbure de silicium capables de bloquer au moins un ordre de grandeur des champs électriques plus élevés que le silicium ordinaire. Les chercheurs du LLNL ont déclaré avoir mesuré une puissance de sortie exceptionnellement cohérente sur une gamme de fréquences plus large par rapport aux technologies de conversion de puissance au silicium ou au carbure de silicium existantes.
Dans les tests de référence effectués par Opcondys et rapportés dans le document, le dispositif prototype a démontré un taux de commutation supérieur à 125 kilohertz (kHz) à 20 kilovolts (kV) – un niveau de performance environ six à 10 fois plus rapide que les dispositifs à transistors actuels. Ces performances considérablement améliorées réduisent les pertes électriques qui sont généralement dissipées sous forme de chaleur, ont déclaré les chercheurs. Par exemple, l’appareil perd moins de 5 % de sa puissance de sortie jusqu’à 125 kHz. Par comparaison, un transistor bipolaire typique de 6,6 kV perd 90 % de sa puissance de sortie lorsque la fréquence de commutation approche 10 kHz. La technologie émergente de transistors à effet de champ (MOSFET) en carbure de silicium 15 kV et métal-oxyde-semiconducteur est légèrement plus performante, atteignant 25 kHz avec 75 % de pertes.
Le co-auteur Paulius Grivickas, physicien de l’état solide et membre du personnel scientifique de la Direction des sciences physiques et de la vie du LLNL, est venu au projet pour aider à élucider les mécanismes physiques derrière le comportement de commutation de l’appareil.
Les chercheurs savaient que les porteurs excités dans un carbure de silicium dopé au vanadium revenaient rapidement à la ligne de base, mais la durée de vie exacte de ce processus était inconnue. Cependant, ils ont déterminé que ce paramètre doit être juste – une durée de vie plus courte permet à l’appareil de moduler plus rapidement et à des fréquences plus élevées, mais trop courte et l’appareil perdra de la puissance.
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Grivickas et ses collègues ont utilisé des méthodes de caractérisation de pointe pour mesurer la durée de vie du porteur dans diverses conditions d’excitation et ont découvert la physique sous-jacente du processus. La section efficace de capture de porteurs d’une impureté de vanadium (un métal de transition) dans le carbure de silicium a permis de découvrir des moyens de contrôler la durée de vie des porteurs.
« Nous avons montré que les durées de vie des porteurs sont très sensibles au dopage au vanadium, de sorte que la croissance de bons cristaux de carbure de silicium nécessite des techniques aussi élaborées qu’un dépôt chimique en phase vapeur », a expliqué Grivickas. « Sans découvrir la physique et les paramètres d’un phénomène, tout matériau n’est qu’une boîte noire. Une fois que nous avons su combien de vanadium nous devions mettre, cela a ouvert une toute nouvelle voie pour examiner le problème. »
L’ingénieur du LLNL, Lars Voss, chercheur principal actuel du projet, a déclaré que les capacités de conduction en vrac de l’appareil permettent des avantages de manipulation de puissance extraordinairement élevés et offrent de nombreux avantages par rapport aux dispositifs à semi-conducteurs traditionnels pour le réseau électrique. Les nouveaux dispositifs permettent des tensions extrêmement élevées car l’éclairage lumineux est effectué avec une absorption relativement faible et leur fréquence de fonctionnement est découplée de la haute tension, ce qui leur permet de mieux utiliser d’autres dispositifs de type transistor qui échangent généralement puissance contre fréquence. Et comme il est piloté par laser, a expliqué Voss, l’appareil peut « s’allumer » à la vitesse de la lumière.
« Cette combinaison d’activation et de désactivation rapides permettra des pertes de commutation beaucoup plus faibles pour la conversion de puissance haute tension, ce qui est extrêmement important pour améliorer l’efficacité électrique », a déclaré Voss. « Cela le rend particulièrement bien adapté aux applications au niveau du réseau, où des niveaux de puissance très importants doivent être commutés et convertis. Au-delà de cela, il existe un potentiel sur toute la ligne pour des appareils plus compacts pour la conversion et le contrôle de l’alimentation. »
Sampayan a déclaré qu’en plus d’un transfert d’énergie efficace dans les sous-stations et les onduleurs, une fois réduits, les dispositifs pourraient un jour remplacer les transistors standard et les modules de commutation haute puissance dans l’électronique en raison de leur efficacité accrue.
« Vous n’avez pas besoin de construire un dispositif d’alimentation haute tension avec cela », a déclaré Sampayan. « Je peux voir ce type de technologie être simplifié et mis sur une seule puce, et le concepteur ne saura pas faire la différence entre un dispositif à lumière contrôlée comme celui-ci, ou s’il s’agit d’un transistor à jonction standard. »
Voss a déclaré que son équipe recherchait des dispositifs et des systèmes de construction en carbure de silicium plus efficaces pour une variété d’applications afin d’améliorer les performances tout en maintenant la fiabilité. Ils ont également commencé à examiner la prochaine génération de matériaux et de semi-conducteurs à bande interdite ultralarge tels que le diamant, pour permettre des performances encore meilleures.
Les co-auteurs incluent : les scientifiques et ingénieurs du LLNL Adam Conway, Mihail Bora, George Caporaso, Li-Fang Wang et Hoang Nguyen ; Ian Booker, anciennement de l’Université de Kyoto au Japon ; Kristin Sampayan d’Opcondys; Vytautas Grivickas, Mikas Vengris et Kipras Redeckas de l’Université de Vilnius en Lituanie ; et Adolf Schöner d’Ascatron II-VI AB en Suède.
La source: LLNL
