puissance
Dans le cadre d’une application concrète, la conception d’un « Electronic Power Conditio-
ner» 250 W pour l’alimentation de SSPA GaN, ce chapitre a mis en évidence les points délicats
du dimensionnement d’un convertisseur DC/DC de puissance isolé à haute fréquence de décou- page et notamment le besoin de modèles et d’outils logiciels adaptés.
Il a été prouvé que, dans ce type d’application, le découpage à une fréquence plus proche du mégahertz que de la centaine de kilohertz ne pose guère de problème pour des HFET GaN, pour peu que leur commande soit conçue dans les règles de l’art et que la topologie de conversion em- ployée leur assure des commutations ZVS. La difficulté est plus grande au niveau des composants magnétiques - inductances comme transformateurs - dont les pertes, majoritairement dues à des effets haute fréquence assez mal modélisés, ont un impact majeur sur le rendement. Puisqu’ils représentent également une contribution significative à l’encombrement total, l’optimisation de leur conception est indispensable à l’obtention d’un convertisseur compact, objectif premier de l’augmentation de la fréquence de découpage. Comme l’a montré l’écart conséquent entre calculs de dimensionnement et performances observées en pratique, cette optimisation reste malheureu- sement difficile à mettre en œuvre de façon analytique, sans faire appel au laborieux processus de multiples itérations de simulation tridimensionnelle par éléments finis.
L’expérimentation sur le prototype de convertisseur DAB étant loin d’en avoir exploré tous les aspects intéressants, il semble cependant pertinent d’évoquer quelques perspectives d’études et d’améliorations. Premièrement, l’investigation de l’impact sur le rendement des paramètres que sont les temps morts, la fréquence de découpage et même le rapport de transformation mériterait d’être menée (en utilisant le transformateur en configuration 8 : 8, la suppression des 3 « couches mortes » diminuerait peut-être sensiblement les pertes cuivre à courant élevé).
Ensuite, l’ajout d’inductances placées en parallèle de part et d’autre du lien AC, tel que proposé dans [52], est une solution élégante permettant d’injecter une dose contrôlée de puissance
réactive supplémentaire dans les jambes de pont indépendamment de la puissance transférée par le convertisseur. Ces degrés de liberté supplémentaires permettraient ainsi peut-être d’obtenir le ZVS sur l’intégralité des points de fonctionnement visés.
Concernant l’outil logiciel d’aide au dimensionnement, un certain nombre de fonctionnalités envisagées, non-critiques à la réalisation de l’étude menée ici, n’ont pas été implémentées. Elles constituent autant de perspectives intéressantes pour élargir son utilité, bien que cette dernière reste avant tout limitée par la qualité des modèles de pertes employées.
La prise en compte du filtre d’entrée, probablement par le dimensionnement automatique d’un filtre optimal selon l’atténuation nécessaire (pas forcément évident pour un filtre multi- étages typiquement utilisé dans cette application) constituerait un apport important à l’exhaus- tivité des résultats. L’implémentation de classes décrivant d’autres topologies, au premier rang desquelles le convertisseur résonant LLC et le PSFB présentés dans ce chapitre, permettrait, elle, de mener d’intéressantes comparaisons entre ces solutions différentes pour un même cahier des charges.
Pour réduire le temps de calcul en conservant l’approche « force brute », une optimisation relativement peu difficile à implémenter consisterait à paralléliser l’évaluation des variantes sur plusieurs fils d’exécution pour exploiter les 2 à 8 cœurs d’un processeur moderne. L’évaluation de chaque variante étant totalement découplée, le temps d’exécution serait à peu de choses près divisé par un facteur égal au nombre de cœurs employés.
Enfin, en allant plus loin, un véritable algorithme d’optimisation multi-critères pourrait être utilisé pour étudier plus rapidement et plus complètement des degrés de liberté continus par nature tels que les temps morts ou la fréquence de découpage.
Chapitre 4
Architectures d’alimentation isolée
faible puissance pour récepteur RF
4.1
Application visée et spécifications
Dans ce chapitre, l’application visée est l’alimentation d’équipements de charge utile télécom basse puissance de type récepteur RF intégré. Le travail présenté ici se base sur une spécification écrite pour l’alimentation de la prochaine génération de récepteurs télécom. Ce produit étant conçu pour s’adapter à un maximum de besoins client avec des modifications minimales, ses spécifications sont très représentatives du besoin générique. Le cahier des charges serait égale- ment semblable pour d’autres équipements RF basse puissance individuels (amplificateurs faible bruit, down- et up-converters) ainsi que pour délivrer les tensions auxiliaires d’une alimentation de puissance pour SSPA telle que présentée au chapitre 3.
Toujours dans l’optique de couvrir un besoin largement représentatif, les contraintes imposées par la plate-forme satellite ont été choisies comme les plus sévères de toutes les plates-formes usuelles : le bus d’alimentation sera notamment pris à 100 V ± 10% et le gabarit d’émissions conduites tel que présenté à la figure 1.4.1 (courbe ≤ 100 W).
L’équipement nécessite plusieurs tensions d’alimentation (isolées du bus primaire mais pas entre elles) pour faire fonctionner à la fois le circuit RF, l’oscillateur local et leur électronique de contrôle. Le tableau 4.1.1 en présente les principales spécifications : on peut distinguer les sorties « normales » et de celles beaucoup plus « sensibles » (polarisation de la chaine RF) qui nécessitant de meilleures précisions et ondulations résiduelles. Notons que la précision des tensions en fin de vie doit prendre en compte les effets cumulés de l’erreur initiale, des variations de température et de l’effet des radiations sur les composants. On estime typiquement à ±1% la contribution de ces deux derniers phénomènes à la dérive de tension : une précision en fin de vie de ±1, 5% représente donc une exigence forte.
Les contraintes industrielles principales d’une alimentation prévue pour cette application sont le coût, la taille et la simplicité. Le rendement ne constitue pas l’objectif prioritaire sur ces faibles puissances : sur cet aspect , bien qu’une amélioration est toujours bienvenue, nous chercherons surtout à faire au moins aussi bien que la solution existante.
Tension nominale 6, 5 V 17 V 5 V −5 V Précision en fin de vie ±6% ±10% ±1, 5% ±1, 5%
Courant de sortie 0, 15 − 0, 5 A 0, 03 A 0, 8 − 1 A 0, 15 − 0, 35 A Ondulation (domaine temporel) 100 mVpp 100 mVpp 2 mVpp 1 mVpp
Table 4.1.1 – Spécifications des sorties de l’alimentation DC/DC pour récepteur RF