Profils de fonctionnement et plages de MagnaLOAD

Les charges électroniques DC MagnaLOAD de Magna-Power utilisent deux topologies différentes de dissipation d'énergie : linéaire et à résistance active.

Dans la topologie linéaire, utilisée dans la série ALx refroidie par air et cohérente avec la plupart des charges électroniques disponibles sur le marché, des MOSFETs pilotés dans la région de fonctionnement linéaire sont utilisés comme dispositif principal de dissipation thermique. L'utilisation de MOSFETs pour dissiper l'énergie est une approche simple et éprouvée, qui permet un fonctionnement à pleine puissance sur une très large plage de tension. L'inconvénient de cette topologie, cependant, est le coût relativement élevé des charges électroniques linéaires, dû au prix élevé par watt et au grand nombre de dispositifs actifs nécessaires pour les applications de puissance importante.

Dans la topologie brevetée à résistance active (brevet américain 9 429 629), utilisée dans la série ARx refroidie par air et la série WRx refroidie par eau, une matrice commutée de résistances passives assure la dissipation de puissance principale, qui est ensuite couplée en série avec un nombre relativement faible de dispositifs actifs. Les nouveaux points de consigne programmés ou les variations du bus d'entrée DC entraînent la commutation de résistances dans et hors du circuit, avec un contrôle numérique simultané des dispositifs actifs pour rendre la transition transparente. En substituant des dispositifs passifs aux dispositifs actifs comme élément principal de dissipation thermique, les charges électroniques à résistance active sont proposées à un prix nettement inférieur à celui des charges électroniques traditionnelles, permettant une application économique des charges électroniques pour les besoins de haute puissance. Les résistances passives ayant une impédance fixe, la plage de tension dans laquelle la pleine puissance peut être atteinte est plus limitée que celle des charges à technologie linéaire. Le profil de fonctionnement d'une charge électronique est un critère important à prendre en compte lors de la sélection d'un produit.

Profils de fonctionnement MagnaLOAD

Les modèles MagnaLOAD sont désignés par le nom de la série et trois chiffres, dans l'ordre : puissance maximale, tension maximale et courant maximal. Par exemple, le modèle ARx13.5-1000-28 est spécifié pour une puissance maximale de 13,5 kW, une tension maximale de 1000 Vdc et un courant maximal de 28 Adc. Avec la large plage de fonctionnement à pleine puissance des MagnaLOAD, il peut ne pas être immédiatement évident à partir du modèle sur quelle plage ces caractéristiques peuvent être atteintes. La plage de fonctionnement à pleine puissance peut être déterminée facilement en :

• Divisant la puissance maximale nominale du modèle par la tension maximale nominale pour déterminer quel sera le courant à la tension maximale du produit.
• Divisant la puissance maximale nominale du modèle par le courant maximal nominal pour déterminer quelle sera la tension au courant maximal du produit.

Entre ces deux points de tension et de courant, la plage de fonctionnement à pleine puissance est déterminée, par exemple, pour le modèle ALx2.5-200-600 :

Le fonctionnement à pleine puissance nominale de 2,5 kW pour le modèle ALx2.5-200-600 est atteint de 482 Vdc et 56 Adc à 1000 Vdc et 27 Adc. Représenté sur un graphique ci-dessous, avec la puissance et le courant en fonction de la tension :

Comme autre exemple, la charge électronique DC MagnaLOAD modèle ARx27-1000-56 :

Le fonctionnement à pleine puissance nominale de 27 kW pour le modèle ARx27-1000-56 est atteint de 482 Vdc et 56 Adc à 1000 Vdc et 27 Adc. Représenté sur le graphique ci-dessous, avec la puissance et le courant en fonction de la tension :

En règle générale pour les MagnaLOADs à résistance active des séries ARx et WRx, la pleine puissance peut être atteinte de 48 % de la tension maximale à 100 % de la tension maximale. Pour la série ALx, avec sa plage de fonctionnement à pleine puissance beaucoup plus large, il est préférable d'utiliser le calcul des Éq. 1-2 ci-dessus.

Bien entendu, les MagnaLOADs peuvent également fonctionner en dehors des profils de fonctionnement des Figures 1 et 2, à puissance réduite ; c'est dans ce cas qu'il est nécessaire de consulter le profil de fonctionnement spécifié du produit concerné dans sa fiche technique ou son manuel d'utilisation. Compte tenu de la large gamme de modèles et de niveaux de puissance, Magna-Power normalise ces profils par rapport aux valeurs nominales à pleine échelle du produit pour une série de produits donnée. Pour dériver le profil de fonctionnement d'un modèle, multipliez les valeurs normalisées du profil par les valeurs nominales issues du numéro de modèle. La Figure 3 montre le profil de fonctionnement normalisé de la gamme haute puissance de la série ARx et la Figure 4 montre le profil de fonctionnement de la gamme haute puissance de la série ARx appliqué au modèle ARx40.5-100-840.

Gamme de fonctionnement basse puissance

Les MagnaLOADs à résistance active, séries ARx et WRx, disposent d'une seconde gamme de fonctionnement, basse puissance, sélectionnable depuis le panneau avant ou par commande informatique. Cette gamme de fonctionnement permet à ces séries de produits d'atteindre le courant nominal maximal à basse tension en contournant les résistances passives et en utilisant uniquement les MOSFETs pour la dissipation de puissance. Bien que le MagnaLOAD ne puisse dissiper qu'environ 20 % de sa puissance nominale dans cette gamme basse puissance, elle est utile pour les applications basse tension qui ne peuvent pas être couvertes par le profil de fonctionnement haute puissance.

La Figure 5 montre le profil de fonctionnement normalisé basse puissance de la série ARx et la Figure 6 montre le profil de fonctionnement basse puissance de la série ARx appliqué au modèle ARx40.5-100-840.

Profils et gammes de fonctionnement des MagnaLOADs appliqués à des exemples d'applications

Parmi les nombreuses applications des charges électroniques DC MagnaLOAD, plusieurs ont été sélectionnées pour illustrer au mieux le profil et les gammes de fonctionnement du produit.

Tests automobiles 12 Vdc et 48 Vdc

Magna-Power a été contacté par un constructeur automobile pour utiliser le MagnaLOAD dans le cadre de tests d'applications automobiles conventionnelles à 12 Vdc, mais aussi pour tester des systèmes électriques hybrides rechargeables à 48 Vdc. Le MagnaLOAD serait utilisé pour les tests de décharge de batteries plomb-acide 12 Vdc et lithium-ion 48 Vdc, mais aussi pour charger l'alternateur 12 Vdc et simuler la récupération d'énergie de la batterie sur le bus 48 Vdc d'un véhicule hybride. Les spécifications de décharge dans le cas le plus défavorable fournies étaient les suivantes :

• Courant de décharge maximal de 350 Adc à 12 Vdc depuis les batteries plomb-acide pour simuler le démarrage du moteur
• Dissipation maximale de 400 Adc à 48 Vdc depuis les batteries lithium-ion pendant l'accélération

L'exigence de puissance la plus élevée pour cette application, 48 Vdc à 400 Adc pour le lithium-ion, indique que cette exigence se situe dans la gamme de puissance de la série ARx (6,75 kW à 40,5 kW) :

Sur la base de cette exigence de puissance de 19,2 kW et de l'offre de produits Magna-Power, le modèle de la série ARx le plus adapté se situerait dans la gamme de 20,25 kW et au-dessus. Il est maintenant important de s'assurer que les points de fonctionnement se situent dans la gamme de fonctionnement du produit.

En se référant à la ligne rouge de la Figure 3, les charges électroniques DC MagnaLOAD de la série ARx peuvent atteindre la pleine puissance dans la gamme de fonctionnement haute puissance de 48 % à 100 % de la tension de sortie nominale maximale. Parmi l'offre de Magna-Power, la seule gamme de tension pouvant atteindre la pleine puissance à 48 Vdc serait les MagnaLOADs calibrés pour une tension maximale de 100 Vdc, car 48 Vdc équivaut à 48 % de la tension nominale d'un MagnaLOAD de 100 Vdc. 48 Vdc se situerait donc dans la gamme de fonctionnement à pleine puissance d'un MagnaLOAD de 100 Vdc.

En se référant à la ligne bleu foncé de la Figure 3, à 12 Vdc, la capacité en courant des MagnaLOADs de la série ARx à 100 Vdc n'est que de 22,5 % du courant nominal maximal dans la gamme haute puissance — c'est là que la gamme basse puissance intervient.

Pour les applications basse tension, configurer le MagnaLOAD en gamme basse puissance fournira le profil de fonctionnement de la Figure 5. Dans cette gamme, le MagnaLOAD peut atteindre une capacité en courant proche de sa valeur nominale à basse tension. En se référant à nouveau à la Figure 5, à 12 Vdc — équivalent à 12 % de la tension nominale d'un MagnaLOAD de 100 Vdc — il peut atteindre 95 % de son courant nominal.

En considérant la puissance nominale la plus proche au-dessus de 19,2 kW, le modèle ARx20.25-100-420, nous évaluons les conditions de fonctionnement :

L'équation 6 montre qu'à 48 Vdc, le MagnaLOAD modèle ARx20.25-100-420 sera capable d'atteindre 421,8 Adc en gamme haute puissance, satisfaisant ainsi les exigences pour les tests de batteries lithium-ion.

L'équation 7 montre que bien que le modèle MagnaLOAD ARx20.25-100-420 soit limité à 95 % de son courant nominal à 12 Vdc en plage de puissance basse, 399 Adc fournit suffisamment de courant pour satisfaire l'exigence des tests de batteries plomb-acide.

Par conséquent, le modèle ARx20.25-100-420 satisfait les deux exigences, grâce à l'utilisation de la plage de puissance haute (Figure 3) et de la plage de puissance basse (Figure 5).

Tests de véhicules électriques à 500 Vdc avec capacité d'extension

Magna-Power a été sollicitée par un fabricant de véhicules électriques (VE) pour des tests de bus DC à 500 Vdc pour leur véhicule électrique. Le MagnaLOAD serait utilisé à la place de leur pack batterie pour dissiper l'énergie inverse. De plus, le MagnaLOAD fournirait également une charge pour les chargeurs embarqués du véhicule.

Les chargeurs embarqués ont déterminé l'exigence de puissance, qui était de 12 kW. L'utilisateur préférait une solution refroidie par air, ce qui correspondait à la série ARx (refroidissement par air, 6,75 kW à 40,5 kW). L'utilisateur a d'abord sélectionné le ARx13.5-500-56, avec des valeurs nominales maximales de 13,5 kW, 500 Vdc et 56 Adc. Cette sélection semblait la plus logique, car elle satisferait aisément la demande de puissance totale en fournissant jusqu'à 27 Adc à l'exigence de tension de 500 Vdc.

Bien que le modèle sélectionné par l'utilisateur satisfasse la demande actuelle, la future génération de leur véhicule porterait la tension du bus DC à 800 Vdc ; le ARx13.5-500-56 ne serait pas en mesure de satisfaire les exigences de test pour cette nouvelle génération. En conséquence, malgré le besoin immédiat de seulement 500 Vdc, le client a sélectionné le ARx13.5-1000-28. En se référant à nouveau à la Figure 3, ce nouveau modèle serait toujours capable de fournir 27 Adc à la tension de 500 Vdc (50 % de la tension nominale maximale), mais pourrait désormais atteindre 13,5 Adc à 1000 Vdc, permettant au produit d'être utilisé pour la génération à venir.

Tests d'alimentations pour minage ASIC à 12 Vdc

Les alimentations de minage de cryptomonnaies fournissent des bus +12V haute puissance pour les mineurs ASIC énergivores. Lors de la validation en production, ces alimentations de minage sont cyclées et rodées à l'aide de charges électroniques DC. Dans cette application particulière, cinq alimentations sont testées simultanément dans un testeur d'alimentation personnalisé. L'alimentation est conçue pour 1200 watts, capable de fournir jusqu'à 100 Adc sur son rail +12V. Par conséquent, l'exigence de puissance maximale pour cinq alimentations de minage en rodage était de 6 kW.

Pour une exigence de 6 kW, la série ARx semble initialement la mieux adaptée, avec des modèles allant de 6,75 kW à 40,5 kW. Étant donné que l'exigence est à 12 Vdc, cependant, en mode basse puissance, la série ARx serait limitée à moins de 25 % de sa puissance nominale (Figure 5), ce qui nécessiterait un surdimensionnement considérable du produit pour répondre à l'exigence de 12 Vdc, 6 kW. En examinant plutôt le profil de fonctionnement de la série ALx, celle-ci est capable de fournir sa pleine puissance sur une plage extrêmement large, ce qui la rend idéalement adaptée aux applications haute puissance et basse tension. En se référant à l'extrait de la Figure 1 du profil de fonctionnement du modèle MagnaLOAD ALx2.5-200-600, il est capable d'atteindre sa pleine puissance nominale à 12 Vdc.

Bien que la puissance nominale maximale d'un ALx2.5-200-600 ne soit que de 2,5 kW, plusieurs unités peuvent être connectées numériquement en parallèle en mode maître-esclave à l'aide de l'interface MagnaLINK™ incluse avec le produit. Avec le mode maître-esclave MagnaLINK™, il n'y a aucun compromis sur les performances et les unités effectuent une agrégation des mesures pour agir véritablement comme un seul produit. La mise en parallèle maître-esclave de trois unités ALx2.5-200-600 permet une capacité de puissance allant jusqu'à 7,5 kW et une capacité de courant allant jusqu'à 1800 Adc. En fonctionnant à 12 Vdc, le système maître-esclave disposait d'une capacité plus que suffisante pour l'exigence de 6 kW, 600 Adc du testeur d'alimentations pour minage ASIC.