Cet article explore les défis uniques liés à la conception, aux essais et à la fiabilité des alimentations haute tension utilisées dans les applications militaires et aérospatiales.
Les secteurs militaire et aérospatial dépendent fortement des alimentations haute tension (HVPS), qui apportent un contrôle de l’énergie pour une gamme de systèmes électriques. Avec la demande de fiabilité dans des conditions environnementales extrêmes, la conception et l’essai des HVPS pour ces applications peuvent poser des problèmes.
Figure 1. Une alimentation conçue pour les applications militaires et aérospatiales doit résister à des conditions extrêmes. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Pixabay
Défis de conception des HVPS
La conception d’un HVPS de niveau militaire et aérospatial nécessite de prendre en compte divers facteurs techniques pour assurer la fiabilité dans des environnements difficiles, où l’échec n’est pas une option. Lorsque l’on conçoit un HVPS pour des applications aérospatiales et militaires, le premier aspect à considérer est le type de composants qui garantissent une alimentation fiable. Dans ce cas, des facteurs tels que la température, l’humidité, les radiations et les vibrations sont préoccupants lors de ce processus de conception. L’un des éléments les plus essentiels à prendre en compte est le choix des composants pour l’alimentation. Par exemple, opter pour un condensateur avec une faible résistance série équivalente (ESR) réduit considérablement la génération de chaleur et les pertes d’énergie dans l’alimentation. La puissance dissipée dans un condensateur due à l’ESR peut être évaluée en multipliant l’ESR par le courant qui traverse le condensateur pour un choix plus optimisé visant à réduire l’accumulation de chaleur. La tension nominale et la réduction de la tension d’un condensateur sont d’autres aspects à considérer lors de la sélection du bon condensateur pour l’alimentation. Il est crucial que le condensateur choisi ait une tension nominale largement supérieure à la tension de fonctionnement et garantisse la fiabilité dans le temps dans des environnements à haute température. Un facteur de réduction pourrait être de 50 %, ce qui signifie que si le condensateur a une tension de 1000 V, il ne peut être utilisé qu’à 500 V.
En ce qui concerne le choix des semi-conducteurs, les semi-conducteurs à large bande comme le carbure de silicium (SiC) et le nitrure de gallium (GaN) sont meilleurs que les semi-conducteurs en silicium en raison de leurs propriétés électriques supérieures. L’une de ces propriétés est une tension de rupture plus élevée qui permet aux semi-conducteurs de supporter des champs électriques plus élevés sans subir de rupture par avalanche. Pour estimer la tension de rupture (VBR) du semi-conducteur choisi, il convient de considérer sa concentration de dopage (N), l’épaisseur de la zone de déplétion (L) et la force du champ électrique (Ec). Une plus grande force de champ électrique réduit considérablement la tension de rupture, rendant le semi-conducteur adapté aux applications haute tension.
Par exemple, le choix du GaN (3,3 MV/cm) et du SiC (2,8 MV/cm) par rapport aux semi-conducteurs en silicium (0,3 MV/cm) repose sur leur force de champ électrique critique plus élevée. Ainsi, un dispositif SiC peut avoir une tension de rupture dépassant 5000 V, tandis qu’un semi-conducteur en silicium se dégrade à 600 V sous des dimensions et un dopage similaires.
\[V_{BR}\propto\Big(\frac{E_{C}}{N}\Big)\times L\]
Les pertes de conduction constituent un autre facteur influant sur le choix d’un semi-conducteur adapté pour un HVPS. Les semi-conducteurs à large bande ont des pertes de conduction plus faibles en raison d’une résistance de conduction à l’état passant (RDS(on)) inférieure à celle des semi-conducteurs en silicium ayant la même tension nominale. Avec une résistance à l’état passant réduite, les électrons sont plus mobiles même à haute température. Avant de choisir un semi-conducteur pour votre HVPS, les pertes de conduction (Pcond) peuvent être évaluées en tenant compte de la résistance à l’état passant du semi-conducteur et du courant de drain (ID), comme indiqué ci-dessous.
\[P_{cond}=I^{2}_{D}\times R_{DS(on)}\]
Il faut également prendre en compte la taille et le poids de l’alimentation lors de la conception d’un HVPS pour des applications militaires et aérospatiales. Dans les aéronefs militaires, les véhicules et les engins spatiaux, les restrictions de poids et l’espace limité sont préoccupants. Cela signifie que maintenir une conception qui respecte ces normes tout en assurant des performances élevées pose des défis d’ingénierie. Par conséquent, la puissance de sortie par unité de volume peut être augmentée pour obtenir un design léger et compact maximalisé. Cela implique également d’utiliser un châssis plus léger pour le HVPS ainsi que des matériaux tels que des alliages d’aluminium légers et des composites de carbone tout en préservant l’intégrité structurelle de l’armature.
Exigences de fiabilité et conditions environnementales
Le génie de la fiabilité est l’une des considérations majeures lors de la conception et de l’essai des HVPS pour des applications militaires et aérospatiales, garantissant une constance opérationnelle dans des conditions difficiles sur de longues périodes. Dans une telle application, la défaillance d’un seul composant de l’alimentation peut entraîner des conséquences problématiques, ce qui nécessite une conception redondante. Une conception redondante permet d’assurer une alimentation fiable en ajoutant des composants ou des systèmes dans la conception du HVPS qui peuvent prendre le relais si un composant du HVPS échoue, garantissant ainsi un fonctionnement ininterrompu. En fonction des besoins du système, une redondance parallèle, en série ou une combinaison des deux configurations peut être mise en œuvre. Par exemple, un HVPS avec une configuration de redondance parallèle peut consister en plusieurs alimentations partageant la charge en fonctionnant simultanément, assurant la fiabilité si l’une des alimentations échoue. Lors de la conception d’un HVPS, vous pouvez définir la probabilité de fonctionnement sur une période spécifique (t) sans défaillance en évaluant sa fiabilité R(t). Si le HVPS a (n) composants parallèles, chacun ayant sa fonction de fiabilité Ri(t), la fiabilité globale de l’alimentation peut être évaluée à l’aide de la formule :
\[R(t)=1-\prod^{n}_{i=1}\Big[1-R_{i}(t)\Big]\]
Bien que la redondance parallèle améliore la fiabilité des HVPS, elle introduit également des défis tels que la complexité des systèmes de contrôle pour la gestion, la maintenance, la détection des pannes et l’isolement, si cela n’est pas géré correctement.
Les essais environnementaux constituent un aspect important pour évaluer la fiabilité de la conception du HVPS. Des facteurs tels que le cycle thermique, les radiations, les vibrations et les chocs peuvent avoir un impact significatif sur la conception du HVPS. Un essai de cycle thermique peut être réalisé pour identifier le stress potentiel imposé au HVPS sous des cycles de chauffage et de refroidissement répétés. La simulation des variations de température et l’examen attentif de l’expansion thermique peuvent aider à choisir des matériaux pour une alimentation fiable. En ce qui concerne les essais de vibration et d’impact, une variation de la fréquence de résonance due aux vibrations des environnements militaires et spatiaux peut être évaluée afin de prévenir toute défaillance mécanique en concevant un HVPS capable de résister aux effets de fortes oscillations. Ces tests environnementaux sont essentiels pour aider les ingénieurs en énergie à apporter des ajustements potentiels aux HVPS en fonction des résultats des essais.
Normes réglementaires et conformité
Lors de la conception d’un HVPS pour des applications militaires et aérospatiales, la conformité aux normes réglementaires ne peut être négligée, car elles garantissent que l’alimentation répond aux exigences de sécurité, de fiabilité et de performance les plus strictes. Voici quelques normes à prendre en compte dans le processus de conception.
- MIL-STD-810, Essai environnemental pour équipements militaires : Cette norme militaire fournit des lignes directrices pour les essais de performance et de durabilité des équipements et dispositifs tels que les HVPS dans diverses conditions environnementales. Dans ce cas, les HVPS peuvent subir des essais de cycle thermique, de vibration et de choc afin de garantir leur capacité à faire face au stress rencontré lors des opérations militaires. Bénéficiant d’une acceptation mondiale, la norme MIL-STD-810 offre la liberté de personnaliser les protocoles d’essai en fonction de l’environnement de travail de l’équipement pour garantir sa fiabilité.
- RTCA DO-160, Conditions environnementales pour équipements aéroportés : Cette norme veille à la sécurité et à la fiabilité des équipements électroniques, y compris les HVPS, dans un aéronef. Le champ d’application de cet essai prend en compte une gamme de conditions environnementales auxquelles les équipements aéroportés peuvent être confrontés, notamment des facteurs tels que l’interférence électromagnétique (EMI), les coups de foudre et la décompression rapide. Pour la conception de HVPS destinés à l’aérospatial, la conformité à ces normes fait partie des exigences industrielles en matière d’aviation, garantissant fiabilité et sécurité dans des environnements exigeants.
- NASA-STD-8739.8, Lignes directrices pour la fabrication d’assemblages électroniques utilisés dans les vols spatiaux : Élaborées par la NASA, ces normes garantissent fiabilité et qualité dans les assemblages électroniques, y compris les HVPS, destinés aux vols spatiaux. Avec des lignes directrices sur le câblage, le soudage et le revêtement conformal, les HVPS sont inspectées et testées à différentes étapes de fabrication, garantissant qu’ils sont conçus pour résister au vide, à l’exposition aux radiations et aux températures extrêmes. Cela garantit la qualité, et avec la documentation et la traçabilité, les problèmes potentiels peuvent être facilement liés à leur source, permettant ainsi de prendre des mesures correctives.
Alimentations haute tension pour applications militaires et spatiales
Concevoir un HVPS redondant et fiable pour les applications militaires et aérospatiales assure des performances dans des environnements extrêmes avec un temps d’arrêt minimal. Grâce à la conformité aux normes réglementaires, les ingénieurs peuvent encore optimiser la conception et les essais de leurs HVPS pour en accroître la fiabilité. Avec l’évolution des avancées technologiques, les HVPS sont confrontés à de nouveaux défis, et grâce à l’utilisation de matériaux avancés et de la fabrication additive, la fiabilité des performances peut être améliorée.