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Convertisseurs DC-DC : Comment simplifier la conception d’alimentations de puissance avec des architectures modulaires

La conception d'architectures de convertisseurs CC-CC complexes et de forte puissance pose certains défis aux ingénieurs qui développent des systèmes d'alimentation de qualité aérospatiale et militaire.

Convertisseurs DC-DC : Comment simplifier la conception d’alimentations de puissance avec des architectures modulaires

Les convertisseurs CC-CC doivent se conformer à de multiples normes et exigences strictes en termes de tension d'entrée, de conditions environnementales EMI (interférences électromagnétiques) et de gestion thermique.

Une approche modulaire peut simplifier considérablement le processus de conception, en permettant aux ingénieurs de concevoir des systèmes de conversion de puissance complexes à l'aide de blocs de construction optimisés COTS et SWaP-C. Les ingénieurs peuvent répondre à de multiples normes industrielles et exigences en matière de puissance tout en optimisant leurs architectures de puissance en fonction des nouvelles normes industrielles telles que l'architecture de système ouvert de capteurs (SOSA).

Cet article examine comment une architecture d'alimentation modulaire flexible peut aider à relever ces défis.

Solutions d'alimentation modulaires
Alors qu'une solution d'alimentation centralisée a tendance à être une unité unique qui fournit plusieurs sorties, une approche modulaire offre des performances identiques (ou supérieures) grâce à une combinaison de modules. La structure de chaque solution modulaire varie en fonction des besoins de l'application. En général, elle comprendra plusieurs convertisseurs CC-CC qui modifient une tension de bus commune pour répondre aux besoins de la ou des charges.

D'autres modules peuvent être inclus pour fournir un rail de tension auxiliaire ainsi que des filtres EMI, des limiteurs et des modules de maintien. De cette façon, la tension de sortie reste présente lorsqu'il y a un "creux" sur l'entrée, par exemple, lors du démarrage du moteur d'un véhicule.

Selon le type d'alimentation disponible (tension CA ou CC), il peut y avoir une alimentation frontale CA-CC comprenant une correction du facteur de puissance afin de créer un rail de tension pour alimenter tous les modules du système.

L'approche modulaire offre une grande souplesse pour répondre à des exigences non standard sans impliquer le coût et la complexité d'une conception personnalisée. Comme elle utilise généralement des modules pré-qualifiés comme blocs de construction, les défis tels que les EMI sont déjà quantifiés et les approbations nécessaires sont déjà en place.

Applications militaires/avioniques
Pour toutes les solutions d'alimentation dans les applications militaires/avioniques, la source d'alimentation la plus courante est un bus prédéfini qui fournit soit 24V CC soit 28V CC. Cela s'applique à la fois aux applications aéroportées et terrestres.

Il existe plusieurs normes couvrant les systèmes d'alimentation dans les applications militaires/avioniques, principalement pour pouvoir supporter les excursions de tension d'entrée (y compris les transitoires, les pics, les creux dus au démarrage du moteur, ou la commutation et l'arrêt de la source d'alimentation).

2-2 Airborne Applications

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2-2 Groundborne Applications

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Diverses normes internationales et nationales définissent les exigences en matière d'alimentation aéroportée et terrestre militaire/avionique.

Alors que les tensions nominales disponibles dans un avion ou un véhicule sont bien définies, la nature des applications militaires signifie que la conception du système doit permettre des fluctuations. Les convertisseurs CC-CC à large plage d'entrée peuvent prendre en charge une entrée de24 V CC ou 28 V CC et répondre aux excursions des applications aéroportées dues à des conditions de fonctionnement anormales ou d'urgence. Pour les applications de véhicules terrestres, les écarts de tension sont le plus souvent dus au démarrage ou à la mise en marche du moteur ou à la commutation de la source d'alimentation. Là encore, l'utilisation d'un module CC-CC à large plage d'entrée permettra de résoudre ce problème.

Pour répondre à d'autres exigences, d'autres types de modules peuvent être ajoutés à la solution. Par exemple, les modules limiteurs de tension de la série LGDS de GAIA s'occupent des transitoires, tandis que les modules de filtre EMI (série FGDS) offrent la conformité aux normes d'émission EMI.

Le système doit également continuer à fournir du courant pendant une brève période (définie) en l'absence d’alimentation du bus. Ce temps d'attente est souvent traité avec un condensateur réservoir connecté sur le bus à l'entrée des modules convertisseurs CC-CC. Cependant, cette approche présente deux problèmes. Premièrement, la tension de charge du condensateur étant la tension nominale du bus, la taille du condensateur sera extrêmement grande. Deuxièmement, un condensateur aussi grand nécessitera un circuit externe pour limiter le courant d'appel.

Un module de maintien (tel que le HUGD-300 de GAIA) peut aider à relever ces défis. Ce module charge le condensateur à une tension plus élevée (généralement entre 31V DC et 80V DC) et gère le courant d'appel associé au condensateur réservoir. L'énergie stockée augmentant au carré de la tension, cette approche permet d'obtenir une valeur beaucoup plus faible du condensateur réservoir, qui est aussi physiquement plus petit et plus abordable.

Bruit électrique
En raison du rendement élevé et de la taille réduite, presque tous les modules convertisseurs CC-CC sont des dispositifs à commutation ; ils commutent l'entrée CC pour créer une forme d'onde CA qui est ensuite régulée pour donner la tension CC de sortie. Comme nous l'avons mentionné, cette approche améliore la taille et le rendement. Cependant, elle crée également potentiellement du bruit électrique, qui peut avoir un effet néfaste sur d'autres composants du système s'il n'est pas correctement contrôlé.

Pour cette raison, les normes MIL-STD-461 et D0-160 définissent la quantité maximale de bruit admissible, à la fois conduit et rayonné.


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MIL-STD-461 et DO-160 définissent les exigences en matière de bruit électrique conduit et rayonné dans les applications militaires.

De nombreux convertisseurs contiennent une forme de suppression de bruit intégrée pour le bruit conduit et un boîtier métallique mis à la terre réduit considérablement le bruit rayonné. Pour des normes plus strictes, des modules de filtrage externes (comme la série FGDS de GAIA) peuvent être ajoutés à l'entrée des convertisseurs CC-CC pour réduire davantage le bruit.

De nombreux convertisseurs CC de GAIA sont équipés d'une broche de synchronisation qui permet d'éloigner la fréquence de commutation du module des fréquences auxquelles le système peut être sensible. De plus, dans les systèmes à plusieurs modules, les fréquences de commutation de chaque module peuvent être alignées exactement en connectant les broches de synchronisation. Ce faisant, le concepteur peut éliminer le bruit de "battement" à basse fréquence qui peut être généré par de petites différences entre la fréquence de commutation des modules.

Environnement d'exploitation
Les systèmes militaires/avioniques peuvent être déployés dans divers endroits et soumis à des conditions environnementales différentes et difficiles, notamment des températures extrêmes, de l'humidité, des chocs et des vibrations.

Une série de normes définit les exigences relatives à l'environnement d'exploitation, ainsi que les tests à réaliser pour garantir la conformité d'un module.


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De multiples tests environnementaux rigoureux sont appliqués pour s'assurer que les modules d'alimentation résistent aux conditions dans lesquelles ils seront utilisés.

Dans le cas d'une solution d'alimentation personnalisée à partir de composants discrets, ces tests devraient être passés une fois la conception terminée. Ce processus impliquerait une quantité importante de temps, de coûts et de risques de conception et nécessiterait probablement des modifications de la conception. De plus, toute modification ou mise à niveau importante de la conception serait soumise à de nouveaux tests et à une nouvelle certification, ce qui impliquerait également du temps, des coûts et des risques.

En revanche, l'approche modulaire utilise des modules préqualifiés qui ont déjà démontré leur capacité à respecter les normes applicables, ce qui élimine une grande partie du risque de conception et simplifie considérablement le processus d'approbation.

Gestion thermique
La chaleur est toujours un problème pour tout système électrique, quelle que soit l'efficacité de son fonctionnement. Cela est particulièrement vrai pour les systèmes utilisés dans un espace confiné et/ou fermé, comme dans les applications militaires/avioniques. Une conception thermique doit inclure une certaine marge de conception pour assurer la fiabilité des modules.

Les modules de conversion GAIA sont conçus pour une température maximale du boîtier ou de la semelle (selon le modèle) de 105°C.

Dans presque tous les cas, une gestion thermiquesera nécessaire, notamment un refroidissement par air forcé à l'aide d'un ventilateur, une métallisation plus épaisse et plus grande sur la carte de circuit imprimé, une forme de dissipateur thermique - ou une combinaison de ces techniques. Dans de nombreux cas, la méthode préférée est un dissipateur thermique conducteur en contact avec le boîtier/la semelle métallique du module de puissance.

Conclusion
La conception de solutions d'alimentation pour les applications militaires/avioniques peut être un défi en raison de l'environnement de fonctionnement et des normes strictes. Dans de nombreux cas, l'adoption d'une approche modulaire utilisant des modules prêts à l'emploi et pré-approuvés est la meilleure approche car elle réduit le temps de conception et les risques.

Bien que la plupart des normes applicables soient utilisées depuis un certain temps, des mises à jour sont effectuées pour répondre à de nouvelles applications ou intégrer de nouvelles technologies. Les concepteurs doivent s'assurer que les modules utilisés dans leurs applications sont conformes aux dernières versions des normes pour garantir la longévité de la conception.

En outre, d'autres organisations comme le Sensor Open Standards Architecture Consortium (SOSA Consortium) permettent activement aux gouvernements et à l'industrie de développer des normes ouvertes et des meilleures pratiques qui s'appliquent à l'utilisation militaire des dispositifs de détection.

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