Fiabilité et hautes performances.
À première vue, et surtout compte tenu de leur fonction première identique de conversion d'une source de tension alternative ou continue en une tension stable et utilisable, un observateur non averti pourrait penser que les alimentations électriques utilisées dans le secteur de la défense ressemblent à celles utilisées dans d'autres secteurs, tels que l'industrie et les télécommunications. Pourtant, elles sont loin d'être comparables. Les solutions d'alimentation électrique destinées au secteur militaire doivent être plus robustes, durables et extrêmement fiables, peut-être même plus que dans tout autre secteur industriel. Dans le secteur de la défense, les équipements d'alimentation électrique doivent fonctionner parfaitement dans une grande variété de climats rigoureux et sur des terrains difficiles. Ils doivent également être capables de fournir de nombreuses années de service avec un minimum de maintenance.
Les alimentations électriques militaires sont généralement fabriquées selon des normes très strictes afin d'offrir des performances optimales dans des environnements d'exploitation divers et souvent exigeants. Ces alimentations peuvent résister à des températures ambiantes allant de -40 °C à 80 °C. Elles disposent de plages de tension spécifiques pour alimenter les différents aéronefs et véhicules militaires fonctionnant selon différents modes. Ces alimentations peuvent résister à des vibrations, des chocs et des secousses considérables, bien supérieurs à ceux rencontrés dans les trains et les avions commerciaux. Il ne faut donc pas s'y tromper : le niveau de fiabilité exigé des systèmes d'alimentation électrique dans le secteur de la défense est extrêmement élevé. Ils doivent fonctionner dans une large plage de températures, ainsi que dans des conditions de chocs et d'impacts extrêmes. La plupart des alimentations électriques militaires répondent aux exigences de la norme MIL-STD et fonctionnent parfaitement dans des environnements difficiles.

Spécificité du segment de marché militaire et de défense :
Compte tenu de la nature des activités liées au secteur militaire et de la défense, dont la plupart des applications finales sont classifiées, hautement confidentielles et protégées par le secret commercial, il est très difficile d’estimer précisément la taille globale du marché des alimentations électriques. Cependant, les analystes de marché estiment que ce marché, qui comprend les batteries, les générateurs, les systèmes d’alimentation sans coupure (UPS) et les alimentations électriques, atteindra environ 8 milliards de dollars d’ici 2023.
Concernant les alimentations électriques (CA/CC, CC/CC), le cabinet d’analyse Micro-Tech Consultants estime dans son dernier rapport que ce segment représente environ 3 milliards de dollars. Il se compose à 60 % d’alimentations électriques conçues en interne par les fabricants d’équipements militaires (conception captive) et à 40 % d’alimentations provenant du marché commercial, dont une partie est conçue sur mesure selon les spécifications du client et adaptée à une application unique (figure 1).

Figure 01 - Exemple d'une alimentation PRBX personnalisée conçue pour répondre à des exigences environnementales sévères (Source : PRBX)

Cependant, les solutions d'alimentation personnalisées représentent toujours une grande partie de ce segment et, comme cela s'est produit dans d'autres segments, lors de la conception de nouveaux équipements, les fabricants militaires et de défense prennent en compte les avantages de l'utilisation d'alimentations commerciales et militaires sur étagère (COTS/MOTS) (Figure 02) dans les premières étapes de leurs projets afin de réduire les coûts, l'allocation des ressources et le temps de mise sur le marché.

Figure 02 - Convertisseur DC/DC PRBX COTS/MOTS OFD1200A pour la défense et les applications industrielles exigeantes (Source : PRBX)

En matière de conception, c'est-à-dire de solutions d'alimentation personnalisées ou standard, les concepteurs d'électronique de puissance doivent tenir compte d'un certain nombre de normes spécifiques à l'industrie militaire et de défense, ce qui constitue une partie très intéressante du processus de conception.

Conçues pour répondre à des normes rigoureuses :
de la Terre à l’espace, les alimentations électriques doivent respecter des normes spécifiques définissant le niveau de robustesse requis pour satisfaire les exigences de l’utilisateur final. Compte tenu de l’extrême diversité des applications, les concepteurs d’alimentations électriques doivent choisir la norme la plus appropriée couvrant l’ensemble du champ d’application. Les normes spécifient toutes les conditions environnementales auxquelles l’équipement de l’utilisateur final sera exposé, par exemple, des températures extrêmes de -40 °C à +80 °C, la nécessité de réduire le bruit pour des raisons tactiques, ainsi que les chocs et vibrations résultant de la manutention, du transport et des impacts opérationnels.
Les industries militaires et de défense utilisent la norme militaire MIL-STD (Figure 03). Établie après la Seconde Guerre mondiale, cette norme vise à fournir des exigences uniformes et à garantir l’interopérabilité entre les forces armées et leurs industries connexes, en se concentrant explicitement sur les exigences techniques et d’ingénierie, les processus, les procédures, les pratiques et les méthodes. La certification MIL-STD, initialement utilisée par les différentes branches des forces armées, atteste désormais de la capacité à résister à des conditions extrêmes et sert de référence pour d’autres industries exigeantes. S’il serait impossible de recenser toutes ces normes, nous pouvons fournir quelques exemples de ce que les concepteurs d’alimentations électriques devraient prendre en compte lors de la conception de produits destinés à des applications militaires et de défense.

Figure 03 - Les industries militaires et de défense utilisent la norme dite militaire (MIL-STD) (Source : PRBX/DoD)

Quand le silence est d'or, la norme MIL-STD-461 fait foi.
Le principe de base d'une alimentation est de transformer une tension continue (CC) en une tension alternative (CA), puis de la redresser pour obtenir une tension CC utilisable. Ce processus, réalisé par commutation de la tension CC, génère des émissions radio et du bruit conduit. Ces derniers sont critiques dans les applications de défense, car ils peuvent être détectés ou perturber les systèmes critiques. Pour réduire ces perturbations, les fabricants d'alimentations utilisent diverses technologies, de la commutation douce à la suppression du bruit – en d'autres termes, des technologies similaires à celles utilisées dans les casques audio pour écouter de la musique dans des environnements bruyants.
Afin de garantir que les alimentations ne génèrent pas de niveaux élevés de bruit conduit ou rayonné, et qu'elles ne soient pas affectées ou endommagées par des signaux externes, elles doivent être testées conformément à la norme MIL-STD-461. Cette norme établit les exigences en matière d'interférences électromagnétiques (IEM) et de compatibilité électromagnétique (CEM) pour les alimentations militaires durcies. Le respect de cette norme est essentiel pour garantir le bon fonctionnement de tous les équipements d'un système. Les essais réalisés conformément à la norme MIL-STD-461 comprennent : les émissions conduites, la susceptibilité conduite, les émissions rayonnées et la susceptibilité rayonnée.
Selon l’application (par exemple, spectre de fréquences terrestre, aérien, naval ou sous-marin), le niveau de susceptibilité et les essais peuvent varier, comme indiqué dans les tableaux IV et V de la norme MIL-STD-461 (figure 4).

Figure 04 - Tableaux IV et V de la norme MIL-STD-461 avec la classification des tests EMI et EMS selon les applications (Source : PRBX/DoD MIL-STD-461G)

Alimentation électrique des véhicules militaires : Norme MIL-STD-1275.
La plupart des équipements militaires embarqués sont alimentés par une tension de bus de distribution interne de 28 V provenant de la batterie principale ou d’un générateur. La norme MIL-STD-1275 définit les limites de tension de fonctionnement et les caractéristiques de tension transitoire de l’alimentation 28 V CC à l’entrée de l’équipement. Le système de conversion de puissance CC/CC ou CC/CA doit pouvoir fonctionner malgré les variations de tension transitoires définies, notamment les surtensions et les pics, et fournir une alimentation propre et régulée à ses charges. Cette norme couvre toutes les perturbations possibles auxquelles l’alimentation peut être soumise en fonctionnement, garantissant ainsi son bon fonctionnement.

MIL-STD-810, ou Considérations d'ingénierie environnementale et essais en laboratoire,
a été introduite en juin 1962. Après plusieurs révisions, sa huitième version, la MIL-STD-810H, a été publiée en janvier 2019. Cette norme décrit des procédures d'essai détaillées conçues pour évaluer la résistance des équipements à diverses conditions, notamment la température, les chocs, les vibrations et l'humidité, auxquelles ils peuvent être exposés lors de leur utilisation, de leur transport et de leur stockage. Bien que la MIL-STD-810H soit une norme militaire, il est important de noter que de nombreux produits industriels robustes sont testés conformément à ses exigences. La MIL-STD-810H propose plus de 20 méthodes d'essai différentes, allant des basses pressions (altitude) et des vibrations mécaniques des équipements embarqués aux impacts de balles et aux atmosphères acides. La plupart des alimentations électriques n'ont pas besoin d'être testées selon toutes les méthodes d'essai ; les concepteurs d'alimentations électriques sélectionnent les composants pertinents pour l'application finale. Certaines méthodes d'essai sont générales et couramment utilisées, par exemple la méthode d'essai 516.8 pour les chocs et la méthode d'essai 514.8 pour les vibrations. Ces essais simulent les effets des secousses, des chutes et autres actions similaires susceptibles de se produire pendant le transport et l'utilisation.

Concevoir en tenant compte des marchés commerciaux et militaires.
Les alimentations COTS/MOTS étant utilisées dans une grande variété d'applications, leurs concepteurs doivent prendre en considération de nombreux facteurs environnementaux.
Plusieurs applications de défense exigent des alimentations fonctionnant avec un refroidissement limité, voire sans ventilateur. Cela concerne principalement les alimentations opérant dans des environnements difficiles : équipements électroniques installés dans un boîtier étanche, systèmes de radiocommunication soumis aux intempéries, équipements de surveillance et de contrôle d'accès extérieurs, et équipements intérieurs soumis à des restrictions de bruit très strictes. Outre les exigences environnementales, la fiabilité et les coûts de maintenance incitent les concepteurs de systèmes à privilégier le refroidissement par conduction plutôt que les ventilateurs d'extraction. Ce dernier
requiert des techniques de construction très spécifiques, et les alimentations doivent être conçues pour garantir un transfert thermique optimal des composants du dissipateur vers la carte mère, afin d'offrir des performances élevées dans une plage de températures de fonctionnement extrêmement large, de -40 °C à +95 °C sur la carte mère. Dans ces applications, la carte mère peut servir à refroidir l'alimentation en haute température, mais aussi à la chauffer en basse température. En effet, certaines alimentations intègrent un élément Pelletier alimenté par une petite batterie, utilisé lors du démarrage ou en conditions de refroidissement maximal.
Concernant les alimentations COTS/MOTS, les clients exigent généralement une grande flexibilité et la capacité d'alimenter une large gamme d'applications. Par exemple, certaines applications de défense, comme les chargeurs de batterie, requièrent une alimentation fournissant un courant constant. Ce courant doit non seulement être facilement ajustable, mais l'alimentation peut également être amenée à remplir d'autres fonctions, telles que la surveillance des périodes d'inactivité et la commutation entre courant constant et tension constante. Souvent, ces équipements fonctionnent dans des environnements où les composants électroniques doivent être protégés des risques. L'alimentation doit donc offrir une commande externe permettant d'ajuster la tension et/ou le courant de sortie, du niveau maximal admissible jusqu'à une valeur proche de zéro. Selon les besoins, ces fonctions peuvent être contrôlées via un bus de communication analogique ou numérique. La flexibilité est également essentielle pour les applications nécessitant une redondance ou pour les clients exigeant une puissance élevée, qui requièrent des alimentations conçues pour un branchement en parallèle, intégrant souvent un circuit OU actif pour maintenir un rendement élevé.
Tout cela sans oublier la nécessité de répondre aux niveaux de choc et de vibration les plus élevés, supérieurs à ceux requis par les alimentations conventionnelles, et d'assurer un filtrage CEM hautement efficace, conformément aux normes MIL-STD 461E CE102, MIL-STD 1399-300A et MIL-STD 810H.

précédemment
, grâce à l'exploitation des meilleures pratiques de conception de solutions d'alimentation robustes conformes aux exigences de test spécifiques de la norme MIL-STD-810H, les alimentations militaires et de défense COTS/MOTS suscitent un intérêt croissant auprès des utilisateurs finaux pour des applications industrielles exigeantes fonctionnant en environnements difficiles. Cet article n'a pas encore abordé les applications extrêmes, telles que celles exposées à des niveaux élevés de radiation. Bien que ces applications puissent être considérées comme de niche, le nombre croissant de centrales nucléaires modernisées pour prolonger leur durée de vie opérationnelle stimule la demande d'alimentations capables de résister à une forte exposition aux radiations et d'offrir une durée de vie supérieure aux exigences précédentes. S'appuyant sur les recherches menées sur les alimentations militaires capables de résister à des niveaux élevés de radiation et sur l'application de la dernière génération de semi-conducteurs à large bande développés pour les environnements difficiles, il est clair que les applications industrielles exigeantes bénéficieront de ces recherches et de la disponibilité des alimentations COTS/MOTS.
Le développement d'alimentations pour les secteurs militaire, de la défense et autres industries exigeantes représente un domaine passionnant pour les concepteurs d'alimentations, leur permettant d'explorer et de découvrir de nouvelles technologies pour les rendre encore plus robustes, polyvalentes et économes en énergie
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Références :
Powerbox (PRBX) :
https://www.prbx.com/

Micro-Tech Consultants
sur l'industrie mondiale des alimentations à découpage :
http://mtcpower.com/

Pour plus d'informations
, consultez le site www.prbx.com.
Contactez Patrick Le Fèvre, directeur marketing et communication,
au +46 (0)158 703 00.

À propos de l'auteur :
Patrick Le Fèvre, directeur marketing et communication chez Powerbox, est un expert en communication et ingénieur qualifié, fort de 40 ans d'expérience dans le secteur de l'électronique de puissance. Pionnier dans la commercialisation de nouvelles technologies telles que l'énergie numérique et dans les initiatives techniques visant à réduire la consommation d'énergie, il a écrit et présenté de nombreux ouvrages et articles techniques lors de conférences internationales majeures sur l'électronique de puissance. Ces publications ont été diffusées plus de 450 fois dans la presse internationale. Il participe également à divers forums environnementaux, où il partage son expérience et ses connaissances en matière d'énergies propres.