Utiliser un convertisseur de puissance CA/CC à refroidissement par contact pour les applications en environnements difficiles

Avec la prolifération des appareils électroniques, les concepteurs de dispositifs d'alimentation et de modules de convertisseurs CA/CC pour environnements difficiles sont confrontés à des exigences de plus en plus strictes en matière de performances, d'environnement et de conditionnement. Bien que le rôle d'un convertisseur de puissance connecté à la ligne n'ait pas fondamentalement changé, des considérations supplémentaires sont requises pour le rendre pleinement fonctionnel sur le terrain.

Le premier problème est celui du refroidissement, car même une alimentation efficace émet de la chaleur. Ensuite, le concepteur doit prendre en compte les exigences électriques et de facteur de forme au niveau du système. Enfin, le convertisseur doit intégrer des fonctionnalités qui simplifient l'intégration et protègent le convertisseur, l'utilisateur et la charge contre les événements indésirables.

Cet article examine brièvement les défis auxquels sont confrontés les concepteurs de systèmes d'alimentation destinés à des environnements difficiles. Il présente ensuite une gamme de convertisseurs CA/CC à refroidissement par contact/conduction de 504 W d'Advanced Energy et montre comment ils peuvent relever ces défis.

Le défi du refroidissement

À quelques exceptions près, les concepteurs qui intègrent un convertisseur CA/CC dans un système doivent également déterminer comment dissiper la chaleur générée. Même si les convertisseurs modernes présentent un rendement relativement élevé, généralement de 80 % à 90 % voire plus, une certaine quantité de chaleur est générée et doit être éliminée pour éviter que l'alimentation ne surchauffe, compromettant ses performances et sa fiabilité.

La physique thermique montre qu'il existe trois moyens de dissiper la chaleur (Figure 1) :

1. Conduction, par contact direct entre deux surfaces solides
2. Convection, par un fluide en mouvement, qui peut être de l'air ou un liquide
3. Rayonnement, sous forme d'énergie électromagnétique (principalement infrarouge), qui peut se produire dans le vide

Figure 1 : L'énergie thermique peut être dissipée par conduction, convection ou rayonnement. (Source de l'image : Nuclear Power)

Le refroidissement par rayonnement n'est généralement pas adapté aux systèmes électroniques, car il ne transfère qu'une quantité relativement faible de chaleur. Cependant, le rayonnement est essentiel pour les engins spatiaux qui doivent diffuser leur chaleur dans le vide spatial.

La plupart des concepteurs préfèrent aborder leur stratégie de refroidissement en utilisant la convection d'un flux d'air non forcé (naturel) ou forcé par ventilateur, l'air passant par les ouvertures et les évents de l'unité de conversion. Cette méthode de refroidissement est relativement économique et facile à évaluer.

Cependant, l'approche de refroidissement par convection n'est pas viable dans de nombreuses installations en conditions réelles. Le convertisseur doit être placé à l'intérieur du boîtier scellé répertorié IP (indice de protection contre les infiltrations) de l'application pour une protection complète contre l'eau, la pluie, la poussière et d'autres contaminants. En outre, la plupart des convertisseurs standard ne sont pas physiquement conçus ou conditionnés pour un refroidissement par conduction.

Une conception différente est nécessaire lorsque le refroidissement doit être réalisé uniquement par conduction thermique depuis le boîtier du convertisseur vers une surface adjacente. Ce type de refroidissement est souvent appelé refroidissement par contact ou par paroi froide. La conception du boîtier de la gamme de convertisseurs de puissance Artesyn AIF500 d'Advanced Energy (Figure 2) est un bon exemple de cette approche.

Figure 2 : Les convertisseurs de puissance Artesyn AIF500 utilisent un refroidissement par contact ou par paroi froide. (Source de l'image : Advanced Energy)

Ces unités extra-plates sont montées sur un circuit imprimé. Elles présentent une empreinte de plaque de base pleine brique standard de 116,84 mm × 60,96 mm × 13,95 mm et un poids de 260 grammes.

Elles sont principalement conçues pour répondre aux besoins d'alimentation RF des têtes radio distantes dans les applications de télécommunications 5G. Elles conviennent également aux applications d'affichage et industrielles. Leur temps moyen entre pannes (MTBF) est supérieur à un million d'heures.

Les modules sont conçus pour un refroidissement par contact via leur plaque de base (Figure 3) et peuvent fournir leur pleine puissance nominale sur une large plage de températures de plaque de base de -40°C à +100°C.

Figure 3 : Les modules AIF500 sont conçus pour un refroidissement par conduction via leur plaque de base placée en contact direct avec une surface plus froide. (Source de l'image : Advanced Energy)

Sélectionner un convertisseur de puissance

La sélection d'un convertisseur de puissance commence par ses exigences de performances de base. Ces exigences incluent la capacité à fournir une tension de sortie constante à la charge malgré les variations de tension de ligne en régime permanent, les surtensions transitoires, les changements de demande de charge et les variations de température ambiante.

Les unités AIF500 entièrement encapsulées fonctionnent de 90 V_CA à 264 V_CA. Les options incluent l'AIF42BAC-01N avec une sortie fixe de 12 V/42 A ou l'AIF11WAC-01N avec une sortie fixe de 48 V/10,5 A. Le temps de démarrage jusqu'à la pleine puissance, un paramètre important dans de nombreuses applications, est de 3,5 secondes, tandis que la régulation de ligne est de ±0,2 % et la régulation de charge de ±4 %.

Outre une entrée de ligne CA étendue et une sortie CC bien régulée, les convertisseurs AIF500 intègrent également des fonctions de protection telles que le verrouillage en cas de sous-tension (UVLO), la protection contre les surtensions (OVP) et la protection contre les surintensités (OCP). La limitation de courant d'appel interne minimise les circuits externes nécessaires pour éviter les dommages causés par les pointes de courant au démarrage.

De plus, les convertisseurs sont homologués pour répondre aux normes de sécurité EN, UL, Canada UL, CEI et EN 62368-1, et ils portent le marquage de sécurité CE et UKCA. Ces certifications sont en partie attribuables à leurs multiples caractéristiques d'isolement de 4000 V_CC entrée-sortie, 2500 V_CC entrée-plaque de base et 100 V_CC sortie-plaque de base.

Les exigences réglementaires et les bonnes pratiques d'ingénierie requièrent la minimisation de la charge thermique pour un fonctionnement à haut rendement. Ces convertisseurs offrent un rendement supérieur à 90 % lorsqu'ils fonctionnent à la moitié de la puissance de sortie nominale ou plus. Par exemple, l'unité de 12 V fonctionnant sur une ligne de 230 V_CA a un rendement supérieur à 93 % à une puissance de sortie de 300 W ou plus (Figure 4). Au-dessus de 300 W, le facteur de puissance (PF) dépasse 0,99, dépassant ainsi les exigences réglementaires.

Figure 4 : Le rendement de conversion de puissance de l'AIF500 est supérieur à 90 % lorsqu'il fonctionne au-dessus de la valeur de charge moyenne, ce qui réduit la dissipation thermique et répond aux exigences réglementaires. (Source de l'image : Advanced Energy)

Ajout de caractéristiques et de fonctions au niveau du système

Les convertisseurs actuels doivent offrir des capacités s'étendant au-delà de deux fils pour l'entrée CA, de deux fils pour la sortie CC et de deux sorties pour la détection à distance. Ils doivent également s'intégrer au niveau du système avec des connexions et des fonctions supplémentaires.

Par exemple, les convertisseurs AIF500 disposent d'une sortie « Unit Good » à une seule ligne directe et d'une entrée de niveau TTL pour l'activation à distance. Lorsqu'ils ne sont pas activés, leur consommation en veille est de 5 W. Ces signaux de contrôle et de rapport ne sont qu'un point de départ pour la connectivité, car les convertisseurs incluent également une interface PMBus.

Les fonctionnalités supplémentaires incluent la sortie auxiliaire à tension fixe toujours active de 8 V_CC à 11 V_CC à 250 mA, prenant en charge les petites charges critiques.

Une configuration de convertisseur à une seule unité ne requiert qu'un filtre externe pour les interférences électromagnétiques (EMI), un condensateur de maintien et un condensateur de sortie.

Pour les applications dans lesquelles le courant de sortie d'une seule unité AIF500 est insuffisant, les unités prennent en charge le partage de courant actif, étendant la configuration à une seule unité à un maximum de dix unités avec des interconnexions unité-à-unité simples (Figure 5). Cette configuration de sortie parallèle requiert uniquement l'ajout de condensateurs de maintien et de sortie pour la deuxième unité (et chaque unité supplémentaire) ; aucun autre composant n'est nécessaire.

Figure 5 : Une seule unité AIF500 ne requiert que quelques composants externes pour fonctionner (en haut). Il est possible de connecter jusqu'à 10 unités en parallèle si un courant de sortie plus élevé est nécessaire (en bas). (Source de l'image : Advanced Energy)

La technologie PMBus offre une interface utilisateur graphique (GUI). L'interface graphique simplifie le contrôle et la surveillance d'un ou de plusieurs modules pendant la phase de développement et pendant le déploiement de l'application. Elle fournit un aperçu des tensions, des courants et de l'état des mesures opérationnelles et des points physiques clés.

Conclusion

Un convertisseur CA/CC robuste repose sur une conception solide, mais fournir un refroidissement adéquat est toujours complexe, en particulier dans les installations exposées à des conditions difficiles. Les convertisseurs entièrement fermés Artesyn AIF500 sont conçus pour fonctionner selon des spécifications jusqu'à +100°C au niveau de leurs plaques de base avec un refroidissement par contact. Ces unités offrent des performances supérieures et incluent des fonctions et caractéristiques supplémentaires, telles qu'une interface PMBus, qui leur permettent de fonctionner comme des convertisseurs compatibles avec le système plutôt que comme de simples sources essentielles de sorties CC régulées.