L'optimisation de la conception des convertisseurs DC-DC est essentielle pour les avions plus électriques - voici pourquoi

La question de l'économie de carburant et de la réduction des émissions est passée au premier plan dans le secteur de l'aviation, non seulement pour des raisons environnementales mais aussi pour des raisons économiques simples.

Figure 1 : Schéma de principe d'un étage de puissance de convertisseur LLC

La réduction du trafic due à la pandémie de covid a mis certains opérateurs en faillite et a amené les autres à repenser leurs modèles économiques. Le carburant représentant environ 20 à 30 % des coûts d'exploitation et chaque kilo produisant 3,15 kg de CO2 [1], il y a tout intérêt de réduire la consommation de combustibles fossiles, l'objectif ultime étant la propulsion électrique pure. Cependant, le kérosène ayant une densité énergétique 50 fois supérieure à celle des batteries actuelles, il y a des obstacles à surmonter. De plus, le poids de ces batteries ne diminue pas au fur et à mesure du vol, contrairement au carburant liquide.
En attendant, les avions "plus" électriques (MEA) sont au centre de l'attention.

Le remplacement des sources d'énergie pneumatiques, hydrauliques et mécaniques par des sources électriques permet de réaliser des gains de poids, d'efficacité et de taille. Pour en tirer le meilleur parti, il faut concevoir une architecture de bus d'alimentation qui fournisse toutes les tensions de fonctionnement requises, avec une efficacité maximale. Actuellement, un bus de 270 VDC est préféré avec des convertisseurs DC-DC pour les équipements traditionnels alimentés en 28 VDC, suivis d'une conversion vers d'autres tensions plus basses.

Le sigle SWaP (Size, weight, and power) témoigne de la performance des convertisseurs DC-DC en MEA
La taille, le poids et la puissance (SWaP) sont les attributs à optimiser dans un convertisseur DC-DC MEA et il y a de nombreux compromis à prendre en compte, l'essentiel étant une sécurité et une fiabilité élevées. Les concepteurs d’électronique de puissance ont le choix entre de nombreuses topologies de convertisseurs, développées pour d'autres applications telles que les applications industrielles ou commerciales, mais pour l'environnement MEA, et les exigences de performance associées, le choix est plus restreint.

Un exemple illustre un processus de conception typique : la société Gaia Converter [2] a été invitée à développer un convertisseur DC-DC en collaboration avec l'Universidad Politécnica de Madrid, d'une puissance de sortie de 1 kW (1,5 kW crête) à 28 Vdc à partir d'une entrée pouvant varier de 220 Vdc à 320 Vdc, y compris dans des conditions de bus anormales. Le rendement visé était de 96 % dans des conditions nominales, les dimensions étaient de seulement 5,79 cm x 6,1 cm x 1,3 cm et le refroidissement spécifié via ne base-plate, déjà à 90°C maximum. Les normes mil-aero de CEM s'appliquaient ainsi qu'une exigence selon laquelle la fréquence de commutation ne devait pas varier de plus de +/-15% par rapport à la valeur nominale. Le processus de conception.



Figure 2 : Le principe du transformateur "matriciel" pour un rapport de conversion de 4:1

L'équipe savait déjà qu'une topologie à haut rendement était nécessaire, ce qui implique une "commutation douce" dans le convertisseur pour réduire les pertes dynamiques. Il existe ensuite d'autres options - fréquence fixe ou variable, conversion résonnante ou traditionnelle, redressement par diode ou synchrone, etc., mais le choix s'est porté sur un convertisseur "LLC" en raison de son rendement élevé sur toute la plage de charge, de ses faibles interférences électromagnétiques et de la simplicité de sa commande par commutateur à semi-conducteurs. 

Le convertisseur LLC tire son nom des deux inductances formées par L1 et le primaire du transformateur Lm ainsi que du condensateur C1. Ensemble, ils forment une double résonance dans le circuit primaire "réservoir". La conversion de puissance et la tension de sortie variable sont obtenues en excitant le condensateur réservoir avec une onde carrée de fréquence variable, qui parcours la pente de la courbe de gain de résonance. Le transformateur assure l'isolation et la mise à la calibration de la tension, et la rétroaction de la sortie CC contrôle la fréquence d'excitation.
Il reste de nombreuses variables à prendre en compte, qui affectent l'efficacité, la taille, le coût, les performances électriques et les interférences électromagnétiques.

Les concepteurs ont donc généré un algorithme d'optimisation pour identifier la combinaison de types et de valeurs de composants la mieux adaptée au cahier des charges. Après de nombreuses itérations, les cellules GaN HEMT ont été sélectionnées pour les commutateurs primaires en raison de leurs faibles pertes, une fréquence de commutation nominale de 830 kHz a été choisie et les valeurs de L1 et Lm ont été calculées pour la variation de fréquence maximale spécifiée. Les valeurs des deux inductances se sont avérées très similaires, 2,4 µH et 3 µH, ce qui excluait la possibilité que L1 soit formée à partir de l'inductance de fuite du transformateur, car cela aurait rendu la conception du transformateur inefficace et peu pratique, et L1 a donc été implémentée comme une inductance discrète à faibles pertes.


Le transformateur est également la clé d'un rendement élevé et une conception "matricielle" a été adoptée, qui présente également les avantages d'un profil potentiellement bas, d'une faible fuite et d'une dissipation thermique facile. Le principe du transformateur matriciel est illustré à la figure 2, dans ce cas avec des tores empilés avec un seul enroulement primaire passant par tous les éléments en série et un seul secondaire sur chaque tore mis en parallèle, pour donner un rapport de conversion global de 4:1.

Résultats pratiques
La conception optimisée achevée a satisfait aux spécifications de la MEA, à savoir un rendement de plus de 96 % avec une augmentation de la température du transformateur inférieure à 30 °C. La densité de puissance atteinte était de 32 kW/dm3 dans le volume cible spécifié. La variation de la fréquence de commutation, très importante, a également été limitée à moins de +/-15%.

www.gaia-converter.com

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