Traitement de puissance à alimentation en courant—Robustesse face aux perturbations

Cet article a été rédigé par Magna-Power Electronics et a été initialement publié dans le numéro de mars 2019 de l'IEEE Power Electronics Magazine.

Le choix de la meilleure topologie de convertisseur de puissance pour une application spécifique peut s'avérer quelque peu déconcertant compte tenu des avancées réalisées au cours des 20 dernières années. Nombre de ces avancées ont été rendues possibles grâce à de meilleurs interrupteurs à semi-conducteurs offrant des vitesses de commutation plus rapides, des tensions à l'état passant plus faibles, des pertes de puissance réduites, des exigences de commande de puissance moindres, etc. Le choix de la meilleure topologie de convertisseur de puissance doit équilibrer les exigences de l'application avec les priorités de coût, de taille/conditionnement, de rendement et de robustesse. Magna-Power Electronics (Magna-Power), un fabricant de produits d'alimentation CC programmables basé à Flemington, New Jersey, États-Unis, a donné la priorité à la robustesse dans le choix de sa topologie. Ce choix a été motivé par le besoin des clients en matière de haute fiabilité dans des environnements industriels exigeants.
Les produits Magna-Power étant souvent utilisés dans des applications expérimentales de validation de prototypes, la satisfaction des clients exigeait des performances de convertisseur de puissance constantes bien au-delà des conditions de fonctionnement typiques. Ayant expédié des dizaines de milliers d'alimentations, la grande majorité des défaillances sur le terrain résulte d'abus de la part des clients, tels que :

• corrosion
• tension d'entrée anormale telle que la foudre, les transitoires de ligne et les harmoniques de ligne
• abus en sortie, tels que les tensions de retour et les courants alternatifs excessifs
• susceptibilité aux interférences électromagnétiques dans des environnements anormaux
• mauvais conditionnement des alimentations dans les baies d'équipement entraînant une restriction du flux d'air et une surchauffe excessive.

Les méthodes typiques pour améliorer la fiabilité sont la mise en œuvre d'une redondance n + 1 et la réduction du temps moyen entre pannes. Ces techniques ne peuvent qu'améliorer partiellement la fiabilité à long terme si la cause de la défaillance résulte de conditions externes. Par exemple, une alimentation placée dans un environnement industriel, soumise à de fortes surtensions transitoires en entrée, sera plus fiable si elle utilise des redresseurs d'entrée avec une tension de blocage nominale plus élevée. Dans ce cas, améliorer la fiabilité avec des composants à tension plus élevée peut être plus bénéfique que d'avoir des alimentations redondantes avec des spécifications de composants inférieures, qui tomberont toutes en panne dans les mêmes conditions environnementales externes. Survivre à une influence externe anormale, même si le fonctionnement est temporairement interrompu, est bien préférable à une défaillance du produit nécessitant le recours à un appareil de rechange.

L'un des objectifs clés de Magna-Power a été de développer des circuits de puissance capables de résister à des conditions potentiellement dommageables. Une forte capacité de fonctionnement continu, ou résistance aux défauts, réduit les retours sur le terrain, diminue les réparations coûteuses et, surtout, préserve la satisfaction des clients. La protection contre les défauts ne peut pas être assurée dans toutes les conditions, mais connaître les points faibles d'une conception peut permettre de mieux comprendre les améliorations possibles.
La plupart des conceptions d'alimentations dans la gamme de puissance de 1 kW et plus utilisent une topologie à alimentation en tension ou un dérivé similaire. Comme illustré dans la Figure 1, l'étage d'entrée est une source CC alimentant un condensateur, un onduleur en pont, un transformateur pour l'isolation ohmique, un redresseur de sortie et un filtre passe-bas inductance-condensateur. Le point faible de la conception est l'onduleur en pont. Si l'un des composants venait à tomber en panne ou à s'activer par erreur, les effets qui en résulteraient pourraient être très spectaculaires : défaillance d'autres composants de l'onduleur en pont, flammes et dommages aux circuits environnants. Si le circuit de l'onduleur en pont ne commute pas avec un équilibre volt-seconde quasi parfait, le noyau du transformateur saturera, pouvant entraîner des conditions de défaillance similaires.

Des avancées considérables ont été réalisées dans la détection des défauts des convertisseurs à alimentation en tension. Cependant, les dispositifs de protection doivent encore fonctionner de l'ordre de la microseconde. De telles défaillances sont thermiques et dépendent des composants. Les avancées en matière de protection comprennent la détection de la conduction à l'état passant avec des circuits de détection d'antisaturation et des contrôleurs en mode courant qui limitent le courant de crête à travers les transformateurs pour empêcher la saturation du noyau. Toute influence externe provoquant un état de commutation erroné peut entraîner une défaillance potentielle avec peu de temps pour prendre des mesures correctives.

Convertisseur à alimentation en courant

La Figure 2 montre le dual électrique du convertisseur à alimentation en tension, c'est-à-dire un convertisseur à alimentation en courant. La topologie à alimentation en courant existe depuis longtemps, mais elle est rarement déployée commercialement en raison du besoin et du coût supplémentaire de la création d'une source de courant en entrée ainsi que de l'exigence d'un transformateur à faible fuite [1]. Les différences entre les convertisseurs à alimentation en tension et à alimentation en courant sont très subtiles. Les composants du pont à alimentation en tension ne doivent jamais court-circuiter le bus CC d'entrée, contrairement aux composants du pont à alimentation en courant, qui ne doivent jamais ouvrir le bus CC d'entrée. Deuxièmement, l'inductance de sortie L1 dans un convertisseur à alimentation en tension se trouve du côté sortie du convertisseur, mais elle se trouve du côté entrée du convertisseur à alimentation en courant.

Comme illustré dans la Figure 3, l'exigence d'une source de courant en entrée peut être satisfaite par un convertisseur abaisseur ou hacheur fonctionnant comme un convertisseur tension-courant. Bien que cela soit effectivement un point négatif de la topologie, cet étage supplémentaire peut être utilisé pour la protection entre les deux étages du convertisseur.

L'étage onduleur, dont la fonction principale est l'isolation ohmique et la transformation de tension, devrait fonctionner à un rapport cyclique proche de 50 %. Cet étage peut être exploité à une fréquence de commutation plus basse sans pratiquement aucune dégradation des performances dynamiques. Toute la commande du convertisseur est régie par l'étage du convertisseur abaisseur. Une faible impédance de fuite pour le transformateur T1 garantit un rendement élevé du convertisseur et une faible ondulation de la tension de sortie. Pendant la commutation des deux pôles de l'onduleur, le bus CC aux bornes de l'onduleur se court-circuite et le courant est empêché de circuler à travers l'étage de sortie.

Avec le convertisseur à alimentation en courant, le temps nécessaire pour protéger tout composant semi-conducteur dépend de la période de commutation du convertisseur abaisseur et de la conception de l'inductance L1 ; ces deux paramètres régissent le temps nécessaire pour empêcher la saturation du noyau de l'inductance L1. Pour un convertisseur abaisseur fonctionnant à 20 kHz, une période typique de 10 μs peut facilement être déployée pour protéger les composants semi-conducteurs commandés dans les limites de fonctionnement normales. Cette protection peut être appliquée aux interrupteurs semi-conducteurs de l'onduleur ou du convertisseur abaisseur en cas d'états de commutation erronés, de courts-circuits du transformateur ou de courts-circuits des diodes de sortie. Lors d'une condition de défaut, le bus CC aux bornes de l'onduleur en pont s'effondre, protégeant les composants restants d'une défaillance catastrophique. Le courant du bus CC étant limité à un niveau de courant défini et maintenu par le convertisseur abaisseur, la saturation du noyau du transformateur T1 est pratiquement impossible.

Avec suffisamment de temps, des circuits de protection contre les défauts peuvent être conçus pour protéger l'étage onduleur par l'étage du convertisseur abaisseur et l'étage du convertisseur abaisseur par l'étage onduleur. De plus, la défaillance d'un interrupteur semi-conducteur commandé est limitée en courant par le convertisseur abaisseur, ce qui empêche les défaillances catastrophiques. En raison du temps de protection prolongé, des circuits d'antisaturation spéciaux ne sont pas nécessaires.

Un attribut supplémentaire des topologies à alimentation en courant est l'extensibilité vers des systèmes de puissance plus élevée et physiquement plus grands. L'ajout d'un peu d'inductance supplémentaire en série avec l'inductance L1 n'a pratiquement aucun effet sur les performances du système. Les étages peuvent être facilement mis en parallèle sans préoccupation majeure pour les inductances de câblage.

Malgré les avantages d'une conception à alimentation en courant, les conceptions à alimentation en tension sont bien plus répandues dans l'industrie. Les topologies à alimentation en tension nécessitent un étage de conversion de puissance de moins et comportent moins de composants magnétiques. Ces deux exigences ont un impact sur le coût et le rendement. La fabrication d'une alimentation sur carte unique peut être plus rentable lorsque les niveaux de puissance sont plus bas, dans la gamme de 1 kW et en dessous. De nombreux fabricants regroupent plusieurs assemblages de même conception pour atteindre des niveaux de puissance plus élevés, mais de telles conceptions peuvent avoir un effet négatif sur la fiabilité du système en raison du nombre de composants supplémentaires.

Les défis du convertisseur à alimentation en courant

La fabrication de convertisseurs à alimentation en courant présente ses défis dans un marché concurrentiel. Il y a un étage de conversion de puissance supplémentaire occupant un volume physique ainsi que le coût des matériaux qui y est associé. Les circuits de commande conventionnels ne peuvent pas être utilisés en raison de la dualité de la conception, et ces circuits doivent être conçus à partir de moins de composants intégrés. Les transformateurs conçus pour une inductance de fuite extrêmement faible nécessitent des géométries de noyau uniques. Les exigences d'un conditionnement plus serré et de circuits magnétiques spécialisés ont obligé Magna-Power Electronics à intégrer verticalement ses opérations de fabrication pour minimiser la sous-traitance et optimiser ses conceptions.

Aujourd'hui, Magna-Power Electronics fabrique tous ses assemblages en interne. Cette décision a contribué à maintenir la compétitivité de l'entreprise sur un marché mondial, lui permettant de concrétiser la topologie à alimentation en courant tout en améliorant la qualité et les délais de livraison. Les opérations de fabrication comprennent la fabrication de tôlerie, le revêtement en poudre, l'assemblage robotisé de dissipateurs thermiques et de fixations, l'assemblage automatisé de cartes de circuits imprimés en montage de surface et traversant, le bobinage de composants magnétiques et la fabrication de noyaux, l'usinage à commande numérique, la fabrication de faisceaux de câbles, l'assemblage final et les essais.

Références

[1] I. Abraham, Pressman: Switching Power Supply Design, 2nd ed. New York: McGraw-Hill, 1998.