Mesurer et réduire les impacts environnementaux de l'électronique de puissance : du matériau grand gap (SiC,GaN) aux systèmes

Measuring and reducing the environmental impact of power electronics: from wide bandgap semiconductor (SiC, GaN) to systems

• Auteur / Autrice : Suzanne Guillou
• Direction : Jean-Christophe Crebier
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Nano électronique et Nano technologies
• Date : Inscription en doctorat le 23/10/2023
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Electronique et de Technologie de l'Information (LETI)

Mots clés

Mots clés libres

Impacts environnementaux

Electronique de puissance

Semiconducteur grand gap

Environmental impact

Power electronics

Wide-bandgap semiconductor

Résumé

L'utilisation des semiconducteurs à grand gap tels que le Carbure de Silicium (SiC) et le Nitrure de Galium (GaN) en lieu et place du silicium (Si) aujourd'hui largement répandu permet d'obtenir des transistors de puissance plus petits et plus efficaces, ce qui limite les pertes et les échauffements lors des étapes de conversion d'énergie électrique, et par ricochet de réduire la taille et le coût des systèmes de conversion. Les applications concernées vont du chargeur USB universel à l'onduleur photovoltaïque, en passant par la chaine de traction ou le chargeur du véhicule électrique et les alimentations sans interruption (ASI) utilisées notamment pour les datacenters. L'objectif de cette thèse est de mesurer et de réduire les impacts environnementaux pour l'électronique de puissance à base de composants grand gap (SiC, GaN). Aujourd'hui lorsque l'on compare deux convertisseurs, on regarde principalement la consommation énergétique en fonctionnement et les densités de puissance. On commence aussi à s'intéresser à l'empreinte CO2 des dispositifs. Dans le cadre de cette thèse, il s'agira d'aller au-delà de ces trois critères et de prendre en compte également les différentes phases du cycle de vie du dispositif (extraction matières premières, fabrication, transport, fin de vie) et les autres catégories d'impacts environnementaux. La vision système est nécessaire car déterminante pour réduire les impacts environnementaux, et la prise en compte de l'impact des composants de puissance est également importante car non négligeable et très peu de connaissances existent à ce sujet aujourd'hui. Pour cela, en collaboration entre le Département Composants (DCOS) et le Département Systèmes (DSYS) du CEA-Leti et le Laboratoire de Génie Electrique de Grenoble (G2ELab), il s'agira d'établir l'empreinte environnementale multicritères des composants de puissance grand gap, des convertisseurs de puissance à base de composants grand gap, en prenant en compte les phases de fabrication et d'usage, à l'aide de la méthodologie analyse de cycle de vie (ACV), et de la comparer aux composants et convertisseurs existants à base de Si. Cette évaluation sera réalisée pour plusieurs cas d'applications, et plusieurs intégration système possibles, sur des projets réalisés au CEA-Leti ou avec ses partenaires, afin d'identifier les aspects les plus impactants selon les cas. Le travail de thèse comprendra le développement d'une méthodologie pour estimer les impacts et extrapoler à l'échelle industrielle à partir de données calculées à l'échelle R&D ou pré-industrielle. Il s'agira de déterminer les besoins du concepteur selon l'étape de conception (prédimensionnement, dimensionnement, conception) afin de le soutenir vers une électronique de puissance plus soutenable le plus tôt possible. Les résultats d'ACV permettront d'établir un outil d'éco-conception et/ou d'orienter vers les données, les outils ou les méthodologies adaptés pour prendre en compte et minimiser les impacts environnementaux lors de la conception.

The use of wide bandgap semiconductors such as Silicon Carbide (SiC) and Galium Nitride (GaN) in place of today's widely used silicon (Si) makes it possible to obtain smaller, more efficient power transistors, which limit losses and heating during the electrical energy conversion stages, and in turn reduce the size and cost of conversion systems. The applications concerned range from universal USB chargers to photovoltaic inverters, as well as powertrains or chargers for electric vehicles and uninterruptible power supplies (UPS) used in data centres in particular. The aim of this thesis is to measure and reduce the environmental impact of power electronics based on wide bandgap components (SiC, GaN). Nowadays, when we compare two converters, we mainly look at energy consumption in operation and power densities. We are also starting to look at the CO2 footprint of the devices. In the context of this thesis, the aim is to go beyond these three criteria and also take into account the various phases of the device's life cycle (extraction of raw materials, manufacture, transport, end of life) and the other categories of environmental impact. The system view is necessary because it is a determining factor in reducing environmental impact, and taking into account the impact of power components is also important because it is not negligible and very little is known about it today. In collaboration with CEA-Leti's Components Department (DCOS) and Systems Department (DSYS) and the Grenoble Electrical Engineering Laboratory (G2ELab), the aim will be to establish the multi-criteria environmental footprint of large-gap power components and power converters based on large-gap components, taking into account the manufacturing and use phases, using life cycle assessment (LCA) methodology, and to compare it with existing Si-based components and converters. This assessment will be carried out for several application cases, and several possible system integrations, on projects carried out at CEA-Leti or with its partners, in order to identify the aspects that have the greatest impact in each case. The thesis work will involve developing a methodology for estimating impacts and extrapolating to industrial scale from data calculated at R&D or pre-industrial scale. The aim will be to determine the designer's needs according to the design stage (pre-sizing, sizing, design) in order to support him towards more sustainable power electronics as early as possible. The LCA results will be used to establish an eco-design tool and/or provide guidance on the data, tools and methodologies needed to take into account and minimise the environmental impact at the design stage.