Conversion DC-DC aux fréquences VHF - Enjeux, avancement et perspectives

Les systèmes de conversion de l’énergie électrique ne cessent de s’améliorer au rythme des avancées permises par la recherche en réponse aux besoins sociétaux, industriels et/ou militaires. Des percées majeures ont permis la fabrication massive de convertisseurs de puissance capables de convertir l’électricité provenant de sources variées, sur des plages de tension/puissance/fréquence étendues, vers des charges toutes aussi diverses les unes que les autres. Parmi celles-ci peuvent être cités l’invention des redresseurs à vapeur de mercure au début du XX^e siècle, le développement du transistor bipolaire dans les années 1940, la diffusion massive des transistors MOSFET (Metal Oxyde Semiconductor Field Effect Transistors) dans les années 1970, et celle des IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) dans les années 1990, pour ne citer que quelques exemples notables.

Depuis les années 1970 et l'essor de l'électronique de puissance, l'augmentation de la densité de puissance et l'amélioration de l'efficacité énergétique représentent des axes de recherche majeurs dans le domaine. Cette demande est d'autant plus prévalente dans un contexte actuel d'électrification massive des systèmes énergétiques (transport, machines, commodités…).

Une manière naturelle de réduire l’encombrement des composants passifs au sein du convertisseur est d’augmenter la fréquence de découpage, l’énergie réactive à stocker au cours d’un cycle de fonctionnement étant réduite d’autant. Les avancées technologiques autour des composants à semi-conducteur de puissance et l'émergence des semiconducteurs à grand gap permettent aujourd'hui des applications traditionnelles de conversion de puissance à haut rendement à des fréquences pouvant atteindre quelques MHz. Cependant, plusieurs verrous liés aux topologies conventionnelles des convertisseurs et aux technologies des composants utilisés, dont nous discuterons, freinent le gain substantiel en densité de puissance au-delà de ces fréquences.

La conversion d’énergie très haute fréquence constituerait-elle les prémices d’une nouvelle percée majeure en termes d’intégration et de durabilité ? À la frontière entre l’électronique de puissance et les radio-fréquences, elle propose de fonctionner à très haute fréquence de découpage (Very High Frequency, soit la bande de fréquence 30-300 MHz), alliant topologies résonantes et composants adaptés. La thématique est émergente, et de nombreux enjeux y sont associés. L’article résume les problématiques et les avancées sur le sujet, ainsi que les perspectives.

Le lecteur trouvera en fin d'article un glossaire et un tableau des symboles et des sigles utilisés.