La révolution des technologies intelligentes a permis l’intégration d’une multitude de fonctions complexes à des appareils de plus en plus minuscules et sophistiqués.

Par contre, les technologies qui fournissent l’énergie à ces appareils ne se sont pas si bien adaptées à cette miniaturisation. À présent, un des éminents experts canadiens en électronique de puissance et ses étudiants de niveau supérieur ont développé une nouvelle solution en une puce minuscule dotée d’une efficacité énergétique nettement supérieure.

« Malheureusement, alors que les appareils ont diminué de taille, leurs technologies énergétiques n’ont pas suivi », déclare Praveen Jain, le directeur du Centre de recherche pour l’énergie et l’électronique de puissance (ePOWER) de l’Université Queen’s. « Les puces qui fournissent l’énergie pour ces appareils requièrent beaucoup de composants spécifiques tels que des condensateurs et des transformateurs. Cela rend difficile la tâche d’insertion d’un convertisseur d’énergie uniforme sur une puce minuscule ».

À titre de Chaire de recherche du Canada en électronique de puissance Niveau 1 et fondateur de deux entreprises en démarrage, le professeur Jain a érigé sa carrière autour de la recherche de meilleures solutions pour récupérer, transmettre et consommer la puissance énergétique, de manière plus économique et efficace. Par exemple, Jain et son équipe ont développé et dévoilé plusieurs générations de micro-onduleurs solaires plus efficaces et rentables sur le plan énergétique et économique, destinées à l’usage domestique. Les systèmes domestiques ont besoin de microondulateurs pour convertir le courant continu fourni par les panneaux, en courant alternatif compatible avec le réseau électrique.

À présent son laboratoire a réalisé une technologie prometteuse pour rendre cette conversion énergétique encore plus efficace.

« Notre but était de développer un dispositif qui serait en mesure de gérer de manière efficace l’énergie fournie par les sources énergétiques », déclare Marko Krstic, un candidat au doctorat au laboratoire du professeur Jain. « Nous voulions que ce circuit soit efficace et miniature, et nous nous sommes concentrés à créer une structure qui serait appropriée pour l’intégration monolithique sur une seule puce ».

La solution, déclare-t-il, a été de se départir des éléments magnétiques qui sont habituellement utilisés pour convertir et transférer l’énergie. « À ce stade, des composants magnétiques intégrés déposés directement sur une puce n’ont pas été développés de manière à nous permettre de nous en servir efficacement pour la distribution d’énergie, de telle sorte que nous avons utilisé uniquement des condensateurs dans notre concept, qui sont mieux adaptés pour les applications intégrées ».

Leur technique, appelée convertisseurs de condensateurs commutés, résout une lacune importante des appareils à capacités commutées actuels, qui fonctionnent normalement de façon moins efficace que les convertisseurs à base magnétique utilisés traditionnellement. « Cela signifie qu’une quantité considérable de l’énergie traitée par ces appareils est dissipée sous forme de chaleur », déclare Krstic.

« Nous avons observé les limites de performance de ces structures et cherché à établir avec précision leur degré d’efficacité sur le plan fondamental, ce qui n’avait pas été établi clairement dans le passé ».

Fort d’une analyse détaillée de ces structures en tenant compte de la théorie des réseaux, Krstic a optimisé son convertisseur afin d’améliorer sa capacité à traiter l’énergie. Le projet a pris environ cinq ans et a abouti en une puce affichant une efficacité jusqu’à 20 pour cent plus élevée que les puces actuellement disponibles sur le marché.

Cela a été un exploit considérable, déclare Jain. « Jusqu’à présent il n’existait aucune méthode structurée pour accomplir cette tâche – cela tirait de l’art noir. Il a développé le procédé qui a permis la fabricabilité ».

« Il existe un nombre illimité de topologies et il n’est pas toujours clair lesquelles sont préférables pour chaque application », nous dit Krstic. « Par l’intermédiaire de notre analyse, nous avons été en mesure de déterminer la structure convertisseur optimale pour n’importe quel ensemble de paramètres opérationnels ».

« Jusqu’à présent il n’existait aucune méthode structurée pour accomplir cette tâche – cela tirait de l’art noir »

Leur convertisseur, en instance de brevet, possède de nombreuses applications, incluant les appareils portables et électroniques, toutefois le véritable potentiel se trouve dans l’énergie solaire où il pourrait être intégré aux cellules solaires à l’intérieur du panneau photovoltaïque.

« Il est particulièrement bien adapté pour cette application parce que nous sommes en mesure de l’apposer au niveau de la cellule et ainsi obtenir le maximum d’énergie de chaque cellule solaire », déclare Krstic. « C’est possible avec notre convertisseur parce qu’il est miniature, efficace et à base de silicium ».

Aucune de ces activités n’auraient été possible sans l’assistance de CMC, selon les chercheurs. « Sans la présence de CMC, nous n’aurions jamais construit cette puce », déclare Jain. Ils ont joué un rôle essentiel en termes de l’avancement de cette technologie en particulier. Non seulement ont-ils fourni les outils, mais ils nous ont également assisté dans la fabrication de tout l’ensemble ».

« C’était le premier circuit intégré que j’ai conçu et j’ai eu la chance de pouvoir consulter les ingénieurs les plus compétents chez CMC », dit Krstic. « La tarification subventionnée nous a été très utile également du point de vue des coûts. La collaboration avec CMC a été une riche expérience. Je me sens en meilleure position pour contribuer et continuer à travailler à la fine pointe de la recherche ».

« C’était extrêmement important pour moi de pouvoir réaliser ma conception », ajoute-t-il. « On peut faire beaucoup de travail sur papier, mais tant que l’on ne peut fabriquer et tester sa conception, on ne dispose pas d’une compréhension totale ni des compétences pratiques que les employeurs requièrent et exigent ».

Crédit Photo : David Bell

Août 2018