Qu’est-ce qui motive le besoin de commutation haute tension ?
Bien que relativement récent, le secteur des véhicules électriques (VE) a déjà conquis une part de marché et enregistré des ventes importantes. Par ailleurs, l'électrification alimente les débats sur l'avenir des transports individuels et collectifs. Selon Statista.com :
• Le marché des VE devrait atteindre le chiffre impressionnant de 784,2 milliards de dollars à l'échelle mondiale d'ici 2025.
• Ce marché devrait connaître un taux de croissance annuel moyen de 6,01 % entre 2025 et 2029, pour atteindre une valeur de 990,4 milliards de dollars en 2029.
• Les ventes de VE devraient atteindre environ 17,36 millions d'unités en 2029.
Les architectures de bus automobiles actuelles fonctionnent généralement à 400 V, mais des systèmes de bus à 800 V sont en cours d'introduction afin d'accroître la puissance et/ou de réduire l'intensité du courant. Certains constructeurs automobiles envisagent d'utiliser des tensions encore plus élevées, tout comme les fabricants de véhicules utilitaires et de véhicules destinés aux transports publics. Des systèmes de batteries dépassant 1 000 V sont également en cours de conception.
D'autres marchés émergents contribuent également à l'augmentation des tensions des systèmes. Par exemple, l'énergie renouvelable issue d'installations solaires exige la capacité de gérer des tensions élevées lors de la conversion, du transport et du stockage. Le secteur médical dépend de plus en plus d'équipements d'imagerie diagnostique haute tension, tels que les scanners et les appareils à rayons X. De plus, les applications haute tension traditionnelles, comme l'isolation des câbles, l'isolation des circuits imprimés et les testeurs de semi-conducteurs, continuent de nécessiter des tensions de fonctionnement élevées.
Pourquoi 500 V ?
La définition de la « haute tension » pour un système peut sembler quelque peu arbitraire. Cependant, les fabricants d’équipements s’accordent généralement sur un seuil minimal de 400 V. Pourquoi ce chiffre ? En effet, les systèmes fonctionnant à 250 V CA, la norme industrielle, atteignent une tension de pointe d’environ 350 V. Les fabricants de produits de commutation modulaires exigent souvent que toutes les unités dépassant 500 V intègrent un dispositif de verrouillage matériel afin de garantir un fonctionnement sûr. À ces niveaux, un circuit de suppression est nécessaire et l’utilisation de connecteurs haute tension est généralement recommandée. Par conséquent, il semble raisonnable de classer 500 V comme « haute tension ».
À l’autre extrémité de l’échelle, les relais à lames souples (qui, comme nous le verrons plus en détail ultérieurement, sont parfaitement adaptés à la commutation haute tension) peuvent offrir des tensions de seuil allant jusqu’à 15 kV, voire plus dans certaines conceptions.
Avantages des systèmes de test modulaires pour les applications haute tension.
Avant d'aborder la commutation haute tension, il est important de rappeler pourquoi le choix d'une plateforme modulaire, basée sur des technologies et des normes disponibles sur le marché, permet de réduire le coût d'un système de test, d'accélérer son développement et de fournir un système répondant précisément aux exigences de chaque application. Un tel système contribue également à réduire le temps de test, car le matériel et le logiciel peuvent être entièrement intégrés et automatisés, optimisant ainsi les processus de test et permettant l'exécution de plusieurs tests en parallèle.
PXI est une plateforme standard de test, de mesure et de contrôle basée sur une architecture ouverte de la PXI Systems Alliance (PXISA), prise en charge par plus de 60 fournisseurs qui fabriquent, vendent et intègrent des solutions matérielles et logicielles PXI. Grâce à la multitude de fournisseurs proposant des équipements compatibles, les concepteurs de systèmes peuvent sélectionner les blocs fonctionnels les plus adaptés parmi les offres de différents fabricants, en fonction des exigences de l'application, au lieu d'être limités aux produits d'un seul fournisseur.
L'utilisation d'une architecture standardisée réduit également le temps nécessaire à la configuration d'un système de test pour les nouveaux produits et les nouvelles exigences. Grâce à la flexibilité et à l'évolutivité des systèmes PXI, tant matériels que logiciels, le système modulaire peut s'adapter à la complexité croissante du système. Des éléments modulaires peuvent être ajoutés au besoin pour augmenter les fonctionnalités ou la capacité, minimisant ainsi l'investissement initial et préservant sa valeur, car il ne sera pas gaspillé lorsque les exigences de test évolueront.
De plus, les ingénieurs de test ne sont plus limités aux systèmes préconfigurés d'un seul fournisseur. Ces solutions sont souvent insuffisantes pour répondre à toutes les exigences du système, ou bien surdimensionnées et complexes, dépassant les capacités nécessaires et engendrant des coûts supplémentaires. À l'inverse, un système de test basé sur la norme PXI peut être flexible sans être complexe.
Sécurité, fiabilité et répétabilité.
Pour revenir au sujet de la haute tension, la sécurité, la fiabilité et la répétabilité constituent les trois piliers fondamentaux sur lesquels doivent reposer les systèmes de commutation haute tension. Examinons chacun d'eux en détail :
Sécurité :
Lorsque les tensions peuvent atteindre des niveaux de plusieurs kilovolts, la sécurité est primordiale. Par conséquent, les produits de commutation haute tension doivent intégrer un verrouillage matériel fonctionnel permettant d'isoler leurs sorties en façade, garantissant ainsi la désactivation de tous les relais. Par exemple, un verrouillage matériel sur un interrupteur de porte peut désactiver un relais si la porte de l'armoire du système de test est ouverte. De nombreuses configurations sont possibles avec des cartes empilées : plusieurs cartes peuvent être interconnectées, l'une d'elles gérant la ligne de coupure matérielle, ou installées séparément. Généralement, cela implique un interrupteur sur la porte de l'armoire : si la porte est ouverte, les cartes fonctionnent en mode de sécurité, même sous une tension de 5 kV. De même, lorsque la porte est ouverte et que l'opérateur ne peut donc pas toucher d'éléments sous tension, les cartes passent en mode actif et le système peut être utilisé normalement.
La présence de haute tension amplifie également les effets des éléments parasites, des interférences et des pics de tension, pouvant engendrer des problèmes de sécurité et de fiabilité. Un circuit de suppression est donc indispensable. Nous aborderons ce point plus en détail dans la section suivante.
Naturellement, tous les équipements conçus pour les hautes tensions doivent être conformes aux normes internationales, telles que la norme CEI 62271-200 pour les appareillages de commutation haute tension.
Fiabilité.
La fiabilité des systèmes de commutation haute tension dépend de la qualité et du choix des composants. L'élément le plus important à considérer est l'interrupteur ; il s'agit généralement d'un relais. Bien qu'il existe différents types de relais, les relais à lames souples présentent plusieurs avantages qui les rendent idéaux pour les applications haute tension.
Dans les relais électromécaniques (EMR), les contacts sont ouverts. Cela signifie que la poussière et autres particules peuvent contaminer les surfaces de contact et nuire à leurs performances. En revanche, les relais à lames souples intègrent un interrupteur hermétiquement scellé dont les contacts fonctionnent sous vide. Par conséquent, les contacts sont beaucoup moins susceptibles de se dégrader et leurs performances sont toujours supérieures. De plus, la distance de détection peut être beaucoup plus courte que dans les dispositifs EMR ouverts. Enfin, comme les contacts sont dans un vide hermétique, l'ionisation, qui se produit à haute tension, n'affecte pas les performances de l'interrupteur à lames souples.
Figure 2. Relais électromécanique.
Figure 2b : Relais à lames souples haute tension
Les relais à lames souples haute tension ont une vitesse de commutation de 0,5 à 1 milliseconde, bien plus rapide que les relais EMR (3 millisecondes). De plus, leur usure mécanique est faible car ils ne comportent aucune pièce mobile, hormis les lames de commutation. Utilisés correctement et dans les limites spécifiées, les relais à lames souples peuvent atteindre une durée de vie supérieure à un milliard de cycles (selon la charge). À titre de comparaison, les relais EMR ont une durée de vie d'environ 10 millions de cycles seulement.
Il existe différents types de relais à lames souples pour les applications haute tension ; en général, plus la tension est élevée, plus le dispositif est volumineux. Les relais à lames souples avec une tension de claquage (crête CC ou CA) de 1 500 V peuvent être très compacts, mesurant par exemple seulement 12,5 × 3,7 × 6,6 mm. Les relais à lames souples de haute qualité pour ces niveaux de tension intègrent des contacts en ruthénium en poudre pour garantir d'excellentes performances à faible courant. Les relais à lames souples sont caractérisés par des tensions de claquage allant jusqu'à 15 kV. Ces dispositifs de grande taille sont dotés de contacts revêtus de tungstène qui offrent une bonne résistance à la chaleur générée par la commutation haute puissance.
Plusieurs facteurs influent sur les performances et la durée de vie du relais. Pour un fonctionnement optimal, la commutation à froid est toujours préférable, c'est-à-dire l'activation des contacts du relais sans application de tension. Lorsque la commutation à chaud est nécessaire, il est crucial de s'assurer que le produit de la tension et du courant au niveau du contact ne dépasse pas la puissance de commutation maximale spécifiée du relais. La commutation à chaud réduit la durée de vie du relais et sa tension de claquage, car des arcs électriques se forment lorsque le revêtement se dégrade. C'est pourquoi les fiches techniques des modules de commutation spécifient une tension de fonctionnement réduite de
40 à 50 % en cas de commutation à chaud.
Même sans tension appliquée aux contacts du relais, la commutation peut ne pas être « à froid ». La principale cause de défaillance des relais haute tension est une évaluation incorrecte de la capacité du circuit.
Figure 3. Capacité transitoire dans le commutateur et schéma du circuit.
Examinons la figure 3. Si le circuit contient une capacité, celle-ci peut varier en présence d'une haute tension. Si cette capacité se situe dans l'interrupteur sans charge limitante, elle se déchargera instantanément à travers celui-ci lors de sa fermeture. De nombreuses applications haute tension utilisent des condensateurs pour stocker la tension. Même des condensateurs chargés à des tensions relativement faibles peuvent générer des courants transitoires de l'ordre de plusieurs dizaines d'ampères lors de la fermeture de l'interrupteur, ce qui peut endommager considérablement les contacts du relais. Il est donc nécessaire de prendre en compte la nature de la capacité présente dans le circuit et d'intégrer une protection contre les décharges. Ce point est traité en détail dans le guide technique abrégé de Pickering sur les relais Reed.
Les fabricants classent les relais selon un certain niveau de performance, mais il est particulièrement déconseillé d'utiliser le dispositif à ses limites, notamment pour les composants de plus de 10 kV. À l'état neuf, le dispositif fonctionne conformément aux spécifications, mais au fil de sa durée de vie, et notamment en cas de commutation à chaud, des arcs électriques et un transfert de métal entre les contacts peuvent se produire. Cela peut entraîner une accumulation de dépôts sur un contact, réduisant ainsi l'écartement et affectant la tension de claquage. Si une marge d'au moins 10 % est prévue dans les spécifications de fonctionnement, le relais fonctionnera de manière fiable tout au long de sa durée de vie.
Un autre avantage des relais à lames souples pour les applications haute tension réside dans leur résistance d'isolement élevée et leurs courants de fuite beaucoup plus faibles, de l'ordre du nanoampère, soit plusieurs ordres de grandeur inférieurs à ceux des relais statiques (SSR). Le courant de fuite élevé des SSR peut rendre difficile la mesure de courants de l'ordre du milliampère.
Le connecteur est un autre composant critique qui requiert une attention particulière lors de l'évaluation des produits de commutation haute tension. Les connecteurs de type D pour haute tension, jusqu'à 1 000 V, sont facilement disponibles et peu coûteux. Cependant, pour les applications supérieures à 1 000 V, il est nécessaire d'utiliser des connecteurs haute tension spéciaux, tels que ceux fournis par Redel. Ces connecteurs Redel sont, contrairement à ce que l'on pourrait imaginer, plus petits que les connecteurs de type D même s'ils peuvent fonctionner à des tensions plus élevées, et ils utilisent une isolation en plastique et du vernis à l'intérieur du connecteur afin de fournir l'isolation nécessaire pour supporter des tensions extrêmement élevées.
Figure 4. Module de commutation Pickering PXI pour 9 kV
Figure 4b : Connecteur haute tension Redel correspondant (à droite).
Un autre facteur important pour améliorer la fiabilité et minimiser les effets des pics de tension, des transitoires, des surintensités et des surtensions sur les cartes de commutation modulaires est l'utilisation de dispositifs de protection contre les surtensions. Pour les hautes tensions, deux types de circuits de protection peuvent être employés : l'un protège la bobine et, si le relais est suffisamment grand, peut être intégré à son boîtier ; l'autre, constitué de dispositifs de protection supplémentaires montés sur les cartes LXI/PXI, protège les contacts du relais contre les dommages causés par les pics de tension.
Répétabilité :
Les bonnes pratiques garantissent la précision et la répétabilité des résultats de test. Par exemple, il est essentiel de s’assurer que la charge est aussi résistive que possible et ne comporte aucun élément capacitif ou inductif nuisible. Ces derniers peuvent endommager le revêtement des contacts du relais et réduire ses performances jusqu’à la panne. Il est donc nécessaire d’éviter les surtensions, l’inductance générée par le câblage et la capacité stockée, car elles peuvent provoquer des commutations à chaud, même lorsque l’alimentation de la carte est déconnectée.
Les erreurs logicielles doivent également être évitées. Un logiciel de routage automatique des signaux permet de gérer la synchronisation et le routage des signaux dans les systèmes de commutation, en tenant compte du temps de décharge, ce qui prévient les erreurs séquentielles difficiles à détecter et les connexions de signaux potentiellement dangereuses.
D’autres techniques permettent d’améliorer les performances de mesure. La réduction des niveaux de tension à des niveaux gérables à l’aide de diviseurs de tension est une pratique courante dans l’industrie, et des méthodes de conditionnement du signal peuvent également être appliquées à des systèmes plus complexes.
Résumé :
Une compréhension approfondie des facteurs influençant la commutation haute tension est devenue cruciale en raison de la croissance exponentielle de la demande, principalement due aux véhicules électriques, mais aussi aux systèmes d'énergies renouvelables et aux nouvelles générations d'équipements médicaux, ainsi qu'aux applications haute tension plus traditionnelles telles que les tests de semi-conducteurs, de circuits imprimés et de câbles. La sécurité étant toujours une priorité absolue, les fournisseurs de systèmes de test intègrent généralement une fonction de verrouillage matériel dans leurs produits. La fiabilité est assurée par l'utilisation de composants de haute qualité et de processus de conception standardisés. La répétabilité est obtenue en suivant les meilleures pratiques de programmation des tests. La tension de claquage est un avantage significatif de la technologie de commutation par relais à lames souples dans les applications haute tension. Rares sont les applications qui commutent à haute tension, et si c'est le cas, c'est à des niveaux bas afin de préserver la durée de vie du commutateur. La tension de claquage élevée et la faible résistance de contact rendent les commutateurs à lames souples de plus en plus populaires dans les applications où la fonction principale est la transmission de courant, notamment pour les impulsions de courant. L'utilisation de tensions plus élevées peut faciliter la génération de courants non affectés par les variations de résistance du circuit et produire des impulsions plus nettes, c'est-à-dire une meilleure forme d'impulsion.
