Bien comprendre les nuances des composants passifs haute tension

Même si de nombreux ingénieurs se concentrent sur les systèmes basse tension avec des rails à un seul chiffre, une fraction de plus en plus visible et vitale des efforts de conception se fait désormais dans l'univers haute tension. Bien entendu, les hautes tensions ont toujours été utilisées, car elles sont nécessaires pour alimenter efficacement les applications haute puissance. Mais aujourd'hui, avec toute l'attention portée aux véhicules électriques (VE) de différents types, à l'énergie renouvelable et aux systèmes de stockage d'énergie associés (et au rendement énergétique en général), il y a eu une augmentation des besoins quant aux rails d'alimentation et aux composants qui fonctionnent à plusieurs centaines de volts, voire plus.

Même si nombre de ces conceptions haute tension semblent similaires à leurs homologues basse tension sur les schémas, il y a une grande différence entre concevoir un sous-système à batterie rechargeable qui ne produit que quelques volts (V) et quelques watts (W), et concevoir par exemple le bloc d'alimentation d'un véhicule électrique qui fonctionne entre 600 V et 800 V, produit des kilowatts et stocke des mégajoules. Non seulement les composants actifs comme les MOSFET doivent avoir des valeurs nominales adaptées à ces tensions plus élevées, mais c'est aussi le cas des composants passifs associés (résistances, condensateurs, contacts, connecteurs et autres).

En bref, les modestes consignes de base pour les circuits basse tension ne prédominent plus. Elles ont laissé place à un monde impitoyable de formation d'arc, d'étincelles, de claquage de l'isolant, d'usure de contact et de détérioration des matériaux. Les erreurs quant aux choix des matériaux, à la sélection des composants et au placement physique coûtent cher et sont souvent synonymes de danger, tandis que les reconceptions (aussi mineures qu'elles puissent paraître au premier abord) prennent du temps et entraînent de la frustration et un nouvel examen approfondi de la conception.

Les implications d'une conception haute tension

Qu'est-ce que cela signifie en pratique ? Tout d'abord, il existe de nombreuses normes qui définissent l'isolant, l'isolation et d'autres exigences pour l'univers haute tension. Celles-ci deviennent d'ailleurs de plus en plus strictes et exigeantes à mesure que la tension atteint des centaines voire des milliers de volts. Certaines de ces normes sont promulguées par des organismes de régulation gouvernementaux, tandis que d'autres sont définies par des associations industrielles, et d'autres encore découlent de bonnes pratiques techniques.

L'une des exigences les plus tangibles concerne les valeurs minimales de dégagement et de fuite en surface. Ces caractéristiques entrent en jeu lorsque la tension de fonctionnement est supérieure à 30 VCA ou 60 VCC, car les tensions supérieures à ces niveaux sont considérées comme étant potentiellement dangereuses. Le dégagement correspond à la distance la plus courte dans l'air entre deux conducteurs, tandis que la fuite en surface mesure la distance la plus courte le long de la surface du matériau isolant (Figure 1).

Figure 1 : Les considérations de configuration haute tension commencent par le dégagement (la distance la plus courte dans l'air entre deux conducteurs) et la fuite en surface (la distance la plus courte le long de la surface du matériau isolant). (Source de l'image : Altium Limited)

Les exigences de configuration d'une carte à circuit imprimé en ce qui concerne les valeurs minimales de dégagement et de fuite en surface varient en fonction des matériaux, de la tension et des conditions environnementales. Les normes CEI 60601 et IPC 2221 constituent les directives principales pour l'espacement entre les conducteurs avec différentes tensions et dans différents scénarios, mais il existe bien d'autres normes spécifiques à chaque application. Outre ces exigences de base, il existe des normes qui déterminent les matériaux, comme les types d'isolant et leur épaisseur. Là aussi, il y a des subtilités, comme la différence entre les classifications « homologué UL »et « classifié UL » (voir le contenu connexe).

Les composants sont aussi radicalement différents

Même si une conception répond à toutes les normes réglementaires physiques, notamment en ce qui concerne la fuite en surface et le dégagement en fonction de la classification haute tension de la conception, il y a beaucoup plus d'efforts à déployer pour créer une nomenclature adaptée. Une résistance capable de fonctionner et de résister à des centaines de volts est très différente d'une autre conçue pour la plage modeste et bénigne de 10 V à 20 V. Chaque aspect de la conception, de la sélection des matériaux, du processus de production et du conditionnement global est unique.

Par exemple, la série TNPV de résistances haute tension à couches minces de grade automobile (AEC-Q200) de Vishay Dale, comme le modèle TNPV1206330KBYEA de 330 kilo-ohms (kΩ), est conçue pour fonctionner jusqu'à 1000 V. Étant donné que ces résistances sont principalement destinées aux mesures haute tension précises, leur matériau sophistiqué, leur construction et leur ajustage par laser engendrent des spécifications plutôt strictes. Ces spécifications incluent un coefficient basse tension inférieur à 1 partie par million par volt (ppm/V), une tolérance de seulement ±0,1 % et un coefficient de température de résistance (TCR) de seulement ±10 ppm/°C (Figure 2).

Figure 2 : Les résistances série TNPV utilisent une combinaison de matériaux spécialisés, de conception et de fabrication pour atteindre les tolérances et le fonctionnement haute tension requis. (Source de l'image : Vishay Dale)

Vishay note que l'ajustage précis permet de réduire les gradients de tension le long des segments de l'élément résistif, ce qui améliore la stabilité à hautes tensions. Cette conception et cette construction avancées garantissent la stabilité et la précision de l'application dans ce qui ressemble sinon à une résistance pavé ordinaire dans un boîtier 3216 (métrique) standard.

Il en va de même pour les condensateurs. Prenons l'exemple du FHC16I0307K, un condensateur à film de 300 microfarads (µF) de la série FHC de Kyocera AVX, qui protège les semi-conducteurs de puissance dans les véhicules électriques et hybrides. Pour ce faire, il fournit un filtrage CC, empêche les courants ondulés de retourner vers la source d'alimentation et réduit les variations de tension du bus CC.

Conforme aux normes AEC-Q200 et CEI 61071-1/CEI 61071-2 (pour les condensateurs pour l'électronique de puissance), le FHC16I0307K est spécialement traité pour avoir une rigidité diélectrique très élevée dans des conditions de fonctionnement jusqu'à 115°C et il est logé dans un boîtier rectangulaire en plastique métallisé rempli de résine de 237 millimètres (mm) × 72 mm × 50 mm (Figure 3). Tandis que les condensateurs de filtrage basse tension de 300 µF sont très courants, ceux-ci sont répertoriés pour un fonctionnement à 450 VCC. Ils présentent une construction sèche (non remplie d'huile) et segmentée en polypropylène métallisé, avec un processus de régénération contrôlé.

Figure 3 : Les condensateurs FHC16I0307K sont conçus pour une utilisation dans les applications automobiles. Ils sont répertoriés pour 450 VCC, utilisent une construction en polypropylène métallisé et sont logés dans un boîtier en plastique métallisé. (Source de l'image : Kyocera AVX)

De plus, la technologie métallisée segmentée présente une fonctionnalité unique : la manière dont le condensateur réagit en fin de vie. Contrairement aux condensateurs électrolytiques (qui présentent un mode de défaillance par court-circuit), ces condensateurs à film ne connaissent qu'une perte paramétrique de capacité, sans mode de défaillance catastrophique. Ainsi, la capacité du condensateur diminue de manière progressive et régulière au cours de sa durée de vie, et le condensateur finit par devenir un circuit ouvert.

Conclusion

Même si les schémas peuvent paraître similaires à ceux des circuits basse tension, les concepteurs impliqués dans des systèmes haute tension, de l'ordre de plusieurs centaines de volts ou plus, doivent avoir conscience qu'ils sont confrontés à différents défis intéressants en matière de réglementations, de configuration, de matériaux structurels, de sélection des composants et de nomenclature finale. Comme illustré, lorsqu'il s'agit de sélectionner les composants actifs et passifs appropriés, les concepteurs doivent prêter une attention particulière aux fiches techniques, aux définitions des fournisseurs et aux paramètres des composants. Je suggère également de discuter des spécificités de votre conception avec le fournisseur, simplement pour être certain de faire le bon choix.

Contenu connexe

Triad Magnetics, "UL Listed vs. UL Recognized: What's the Difference?"

https://info.triadmagnetics.com/blog/ul-listed-vs-ul-recognized

Vishay Intertechnology, "An Overview of High-Voltage Resistors from Vishay Dale"

https://www.vishay.com/docs/49601/_high_voltage_resistors_vmn-sg2087-1612.pdf

Vishay Intertechnology, "Thin Film High-Voltage Resistor Product Overview"

https://www.vishay.com/docs/48637/_tnpv_ppt_product_overview_nov2018.pdf