Les convertisseurs à rapport de conversion fixe améliorent les performances des systèmes alimentés par batterie
Contrairement à d’autres convertisseurs DC-DC régulés plus populaires et plus courants, les convertisseurs à rapport de conversion fixe permettent aux développeurs de construire et optimiser leur réseau PDN en visant des performances système plus élevées. En séparant les fonctions de conversion, d’isolation et de régulation, on obtient des gains de performances appréciables dont bénéficie largement le système final.
Par Tom Curatolo, directeur principal ingénierie des applications chez Vicor, article adapté par Pascal Coutance
Un convertisseur à rapport de conversion fixe est un convertisseur DC-DC non régulé qui fonctionne comme un transformateur DC-DC. Il affiche une densité de puissance, une efficacité et une flexibilité qui permettent de créer des réseaux de distribution de puissance (PDN, Power Delivery Networks) encore plus performants. Cela se vérifie y compris en présence de sources d’alimentation à large plage de tension de sortie, comme les batteries ou les sources d’énergie renouvelables. Contrairement à d’autres convertisseurs DC-DC régulés plus populaires et plus courants, les convertisseurs à rapport de conversion fixe permettent aux développeurs de construire et optimiser leur réseau PDN en visant des performances système plus élevées. En séparant les fonctions de conversion, d’isolation et de régulation, on obtient des gains de performances appréciables dont bénéficie largement le système final.
Les réseaux de distribution de puissance avancés dédiés aux applications automobiles, aux véhicules électriques légers, aux robots, aux drones et aux applications industrielles se tournent tous vers des sources d’alimentation avec une tension plus élevée – de 100 V, 400 V ou même 800 V – et des niveaux de distribution très basse tension de sécurité (TBTS) plus élevés, de l’ordre de 48 à 60 V, pour offrir le très haut niveau de puissance qu’exigent ces nombreux systèmes récents. Nombre d’entre eux utilisent des batteries, des énergies renouvelables et des piles à combustible comme source d’alimentation principale pour le réseau PDN et doivent faire face à un défi commun : des tensions de sortie très variables. À cause de cette variation, le convertisseur le plus souvent utilisé pour les sources d’alimentation haute tension à large plage de variation est un convertisseur DC-DC isolé et régulé, conçu et construit comme un seul bloc fonctionnel.
Cependant, un convertisseur DC-DC ne doit pas nécessairement réaliser les opérations de conversion, régulation et isolation dans un seul bloc fonctionnel. En réalité, chacune de ces fonctions coûte au convertisseur des points de rendement, se traduisant par des pertes de puissance plus élevées, qui se manifestent sous forme de chaleur. Or la chaleur constitue le facteur le plus important déterminant la densité de puissance atteignable d’une solution de convertisseur DC-DC, avec son coût et sa fiabilité. Plus les niveaux de puissance du système augmentent et atteignent plusieurs dizaines de kilowatts, plus les pertes de puissance deviennent problématiques pour la taille et le poids du convertisseur de puissance. La gestion thermique vient augmenter également de façon significative la taille et le poids de l’étage de conversion de puissance.
Une architecture alternative
La plupart des systèmes nécessitent une isolation dans les zones haute tension d’un PDN pour des raisons de sécurité, mais les fonctions de conversion et de régulation peuvent être séparées. Une fois le PDN haute tension converti à la baisse par le convertisseur à rapport de transformation fixe selon le niveau TBTS requis (déterminé par le facteur K du convertisseur), les choix d’architecture les plus importants sont dictés par l’organisation des autres conversions et régulations, afin de gérer au mieux la puissance pour les différentes charges du système.
En raison de l’augmentation des niveaux de puissance au sein d’applications telles que les systèmes de calculs hautes performances et les véhicules électriques, l’utilisation de niveaux de tension de 54 V et 48 V respectivement, comme niveau de tension de distribution TBTS, au lieu de 12 V, devient plus courante. En raison des courants de charge plus élevés, ces tensions supérieures offrent des réductions des pertes de puissance (I2R) significatives et un rendement amélioré, en plus de bénéfices en termes de poids et de coûts grâce à l’utilisation de câbles, fils, connecteurs et plans de puissance en cuivre sur la carte électronique de taille plus réduite. Cependant, la clé pour pouvoir utiliser des convertisseurs à rapport de conversion fixe dans l’architecture frontale de ces systèmes réside dans la capacité de tout convertisseur intermédiaire en aval et à celle du régulateur du point de charge (POL, Point of Load) à gérer une large plage de tension centrée sur ces niveaux TBTS plus élevés. Les régulateurs abaisseurs et abaisseurs-élévateurs avec topologies ZVS (commutation au zéro de tension) possèdent des avantages car ils affichent un meilleur rendement pour les conversions et régulations de tensions plus élevées.
Prenons en exemples trois applications où l’on obtient des gains de performance significatifs en séparant ces trois fonctions : la recharge d’un véhicule électrique, un robot de récolte agricole et un drone captif.
Recharge de véhicule électrique : conversion haute tension non isolée
Pour que les véhicules électriques et les bornes de recharge soient compatibles, qu’ils utilisent la même tension ou non, le réseau de distribution d’alimentation utilise un module convertisseur de bus à rapport de conversion fixe non isolé de Vicor (NBM) pour convertir la tension de 800 V en 400 V ou de 400 V en 800 V à 6 kW. Cette solution évolutive, à la fois haute efficacité et haute densité, permet aux véhicules électriques avec différentes tensions de batterie d’utiliser les mêmes bornes de recharge.
Le marché des véhicules électriques utilise de plus en plus des batteries de 800 V et 400 V comme source d’alimentation principale ce qui, à cause de leur capacité de recharge rapide à ce niveau de tension, facilite l’adoption et l’acceptation de la technologie des véhicules électriques. Les bornes de recharge sont de mieux en mieux implantées mais elles n’acceptent pas toujours ces deux types de tensions de batterie. Les constructeurs automobiles développent actuellement des systèmes embarqués qui permettent soit d’augmenter la tension à partir d’une borne de recharge de 400 V pour un véhicule de 800 V, ou de la convertir à la baisse de 800 V vers 400 V pour une meilleure compatibilité et une recharge plus rapide. Les niveaux de puissance de ces convertisseurs embarqués vont de 50 à 150 kW. Comme les bornes de recharge possèdent une sortie continue isolée et régulée et que la batterie de 800 V ou 400 V possède un convertisseur DC haute tension isolé pour les systèmes en aval, l’isolation et la régulation ne sont pas requis pour les convertisseurs 800 V-400 V bidirectionnels. En utilisant une topologie à fréquence de découpage élevée, le rendement approche les 99,3 %, ce qui réduit significativement la taille et le poids pour ce type de convertisseur.
Robot de récolte : conversion isolée et non isolée
Pour gérer la large plage de charges tout en conservant l’alimentation de la batterie, les réseaux de distribution d’alimentation d’un robot de récolte utilisent un module convertisseur de bus à rapport de conversion fixe (BCM) de Vicor, afin de générer un bus de 48 V qui minimise les pertes allant de pair avec les bus de tension plus faible. La puissance est ainsi délivrée aux charges avec des convertisseurs de point de charge à rapport de conversion fixe ou régulés tel que le NBM, le PRM et les régulateurs abaisseurs et abaisseurs-élévateurs ZVS de Vicor.
Les machines de récolte sont de gros engins qui requièrent jusqu’à 20 kW de puissance, en général fournis par une batterie de 800 V. L’efficacité du réseau PDN, qui se traduit par des temps de bon fonctionnement plus longs entre les recharges, s’avère importante pour ce type d’application. Un convertisseur de bus isolé ou un convertisseur à rapport de conversion fixe est utilisé pour ramener une haute tension vers un niveau TBTS tel que 48 V, ce qui offre la meilleure efficacité de distribution pour les câbles et les connecteurs. Les convertisseurs de bus peuvent être facilement mis en parallèle pour adapter l’étage de conversion de puissance frontal et offrir une flexibilité de conception non négligeable. La conversion et la régulation directe 48 V peuvent être effectuées pour les différentes charges du système à l’aide de régulateurs ZVS abaisseurs-élévateurs hautes performances ou seulement abaisseurs. Pour les charges de 12 V, telles que celle de la carte mère CPU du système, la meilleure option en termes d’efficacité, et celle qui présente la meilleure densité de puissance, consiste à utiliser un convertisseur à rapport de conversion fixe non isolée 48 V vers 12 V. La régulation est ensuite réalisée par l’étage de conversion du régulateur abaisseur 12 V multiphase du point de charge.
Drone captif : conversion TBTS vers les hautes tensions et vers les basses tensions
Pour réduire de façon drastique la section et le poids du câble d’attache d’un drone, le réseau de distribution d’alimentation utilise un module de convertisseur de bus à rapport de conversion fixe de Vivor (BCM) pour augmenter la tension du câble jusqu’à 800 V. Tout comme pour d’autres réseaux PDN, le bus de 48 V est utilisé localement pour minimiser les pertes au sol comme dans les airs. Le module BCM est également utilisé pour isoler et réduire la sortie redressée à partir d’une alimentation alternative monophasée ou triphasée jusqu’à 48 V.
Les drones captifs sont utilisés par les équipes de sécurité, de lutte contre les incendies et de secours à des fins d’observation fixe, de communication et d’éclairage. Un convertisseur à rapport de conversion fixe bidirectionnel permet de créer un système flexible extrêmement efficace pouvant utiliser une source d’alimentation par batterie TBTS tout en minimisant la taille et le poids du câble afin de maximiser le temps de bon fonctionnement et la charge utile. Dans ce type d’application, un convertisseur de bus K=1/8 (utilisé à l’envers) élève la tension de 48 V à 384 V pour envoyer de la puissance le long du câble d’attache tout en réduisant la section du câble ainsi que les pertes (I2R). Le même convertisseur K =1/8 est également embarqué dans le drone, pour abaisser la tension de 384 V à 48 V et alimenter les composants électroniques embarqués ainsi que le système de rotor du drone. Le réseau PDN maximise le rendement et la densité de puissance (en termes de taille et de poids) des convertisseurs à rapport de conversion fixe, ainsi que les avantages offerts par le drone en libérant de l’espace pour les charges utiles. Sur les applications futures, un convertisseur K= 1/16 sera utilisé pour élever la tension de 48 V à 800 V afin de pouvoir augmenter la longueur du câble d’attache pour un fonctionnement en haute altitude, tout en réduisant encore la section et le poids du câble.
Le rendement et la densité du système de puissance d’un réseau PDN s’avèrent critiques sur le plan des performances, au regard des critères de temps de bon fonctionnement, de temps de recharge, de distance parcourue et de capacité de charge utile, pour ne citer que quelques-unes des fonctionnalités importantes pour le marché automobile, celui des robots et celui des drones. Les performances du PDN peuvent être améliorées, tel que nous l’avons clairement démontré, à l’aide de convertisseurs à rapport de conversion fixe, y compris lors de l’utilisation de sources d’alimentation à large plage de tension, telles que les batteries. Sur ce type d’application, entre autres, les fonctions d’isolation et de régulation de la tension peuvent être réalisées en amont ou en aval, profitant d’une distribution à plus haute tension dans le réseau pour réduire la section des câbles, des connecteurs et des plans de puissance en cuivre sur les cartes électroniques du système. Les PDN montrés ici constituent des exemples d’utilisation des convertisseurs à rapport de conversion fixe associés à des régulateurs ZVS hautes performances, pour aider les clients sur le plan de l’innovation en fournissant des solutions capables de faire bondir les performances et ainsi présenter un avantage concurrentiel.
