La plupart des alimentations haute puissance utilisent un refroidissement par air forcé pour dissiper la chaleur générée ; toutefois, cette approche est impraticable dans un boîtier entièrement scellé. C’est pourquoi les modules convertisseurs refroidis par la carte mère sont devenus une solution courante pour ces applications.
Que sont les modules convertisseurs refroidis par carte mère ?
Les modules convertisseurs de puissance refroidis par carte mère, également appelés « briques », offrent des solutions d’alimentation modulaires pour l’intégration dans les équipements des utilisateurs finaux. Ces solutions à haute densité de puissance sont idéales pour les applications extérieures étanches, les transports et la défense, où leur construction robuste et leur refroidissement par conduction sont particulièrement avantageux. Elles conviennent également aux applications haute densité à refroidissement par air forcé, où leur format compact est un atout.
De plus, elles servent de composants de base pour des solutions d’alimentation personnalisées et à faible risque, qu’elles soient conçues par le fabricant de l’équipement utilisateur final avec le soutien technique du fabricant du module, ou développées directement par le fabricant comme solutions sur mesure. Ces solutions présentent l’avantage de réduire les coûts de développement et les risques, et d’accélérer la mise sur le marché.
Avec quelles applications sont-ils compatibles ?
Les convertisseurs refroidis par carte mère sont des solutions d’alimentation intégrées, contrairement aux produits standard qui nécessitent généralement des ressources de conception et des composants supplémentaires pour un fonctionnement optimal, la sécurité électrique, la gestion thermique et la compatibilité électromagnétique (CEM). Ils sont conçus pour les applications à entrée CC et CA, avec des plages d’entrée adaptées aux batteries et alimentations de véhicules CC, ainsi qu’aux alimentations CA haute tension, redressées ou à correction du facteur de puissance (PFC).
L'industrie a défini des formats standard pour ces modules, appelés huitièmes, quarts, demi-modules et modules entiers. Une puissance nominale allant jusqu'à 600 ou 700 W peut être atteinte avec un module entier standard à rapport d'entrée de 2:1. Cependant, la densité de puissance diminue lorsque le rapport d'entrée s'étend à 4:1, 8:1, voire 12:1, afin de s'adapter aux différentes capacités d'alimentation par batterie et de standardiser la conception des systèmes pour diverses plateformes d'alimentation. Des convertisseurs à entrée CA refroidis par carte mère sont également disponibles comme solution plus complète, assurant la conversion CA/CC basse tension, ou sous forme de modules PFC avec sorties haute tension (généralement autour de 400 V CC) pour alimenter des modules CC-CC à entrée haute tension.
La plupart de ces produits d'entrée CA nécessitent également une conception et des composants supplémentaires, notamment des condensateurs électrolytiques haute tension et des composants pour la CEM, à une ou deux exceptions près, comme la série ASB de XP Power de solutions complètes de blocs AC-DC de 75, 110 et 160 W, qui ne nécessitent que la gestion thermique et incluent toutes les autres pièces.
Éléments clés de l'intégration du module d'alimentation
Gestion thermique
La gestion thermique est un élément clé de l'intégration des modules d'alimentation conçus pour être refroidis par la carte mère. Le module est conçu de manière à ce que les composants dissipant la puissance, tels que les semi-conducteurs de puissance et le transformateur, soient liés thermiquement à la carte mère, laquelle doit être maintenue en dessous d'une température de fonctionnement maximale dans les conditions d'utilisation les plus défavorables.
La résistance thermique du système de refroidissement doit être adaptée à la puissance requise par la charge ou l'équipement final, au rendement du module (qui détermine la puissance dissipée dans le bloc convertisseur) et à la température maximale de fonctionnement de l'équipement. La dissipation de puissance (en watts) peut être déterminée à partir des spécifications de rendement du module dans les conditions de fonctionnement les plus défavorables. Toutefois, il est important de prendre en compte la charge de fonctionnement réelle et la tension d'entrée minimale appliquée, plutôt que le rendement indiqué sur la fiche technique.
Figure 1 : Exemple de variation du rendement en fonction de la tension d'entrée et de la charge
Une fois l'efficacité établie au point de fonctionnement le plus défavorable, la puissance résiduelle dissipée sous forme de chaleur est calculée comme suit :
Figure 2 : Calcul de la puissance résiduelle dissipée sous forme de chaleur
Une fois la puissance et la chaleur dissipée déterminées, le modèle simplifié ci-dessous calcule la résistance thermique nécessaire au fonctionnement, ∆T étant défini comme la différence entre la température maximale de fonctionnement de l'équipement et la température maximale de la carte mère du bloc d'alimentation. La résistance thermique entre le boîtier et le dissipateur est généralement de 0,1 °C/W avec un pad thermique ou de la pâte thermique.
Figure 3 : Modèle thermique du bloc d’alimentation et du dissipateur thermique
La résistance thermique du dissipateur dépend largement du flux d'air disponible. Ainsi, dans les applications à refroidissement par convection, ses dimensions seront bien plus importantes que dans un système comparable à refroidissement par air forcé ou par liquide. Lorsqu'on utilise plusieurs blocs connectés à un dissipateur thermique commun ou à une paroi froide, la somme des puissances dissipées par chaque bloc dans les conditions les plus défavorables détermine la résistance thermique totale requise.
Compatibilité électromagnétique
Outre la gestion thermique décrite précédemment, les modules refroidis par la carte mère nécessitent des composants externes supplémentaires pour un fonctionnement optimal, une protection contre l'inversion de polarité et la réduction des émissions de bruit, ainsi que pour la protection contre les pics et les surtensions, conformément aux exigences de sensibilité de l'application. Cela implique l'installation, dans l'application finale, d'un réseau de condensateurs pour l'atténuation du bruit et la réduction de l'impédance de la source, d'inductances et de composants de protection contre les surtensions.
Des fusibles doivent également être installés pour garantir la sécurité en cas de défaillance catastrophique provoquant un court-circuit dans l'alimentation. La fiche technique du module de puissance et les notes d'application précisent les valeurs requises des composants ; toutefois, il incombe à l'ingénieur concepteur de les mettre en œuvre en respectant les bonnes pratiques de conception, notamment les distances d'isolement et de fuite, et en minimisant l'inductance parasite afin de se conformer aux normes CEM.
Figure 4 : Schéma des systèmes d'entrée CC
FS1 assure la protection contre les courts-circuits en entrée, et D1 la protection contre l'inversion de polarité. L1, C1 et C2 forment un filtre pi pour atténuer le bruit différentiel généré par les variations rapides de courant dans l'étage de commutation de puissance, tandis que L2, C4 et C5 forment un filtre de mode commun pour atténuer le bruit généré par les variations rapides de tension dans cet étage. C3 fournit une source à faible impédance pour le courant de commutation du convertisseur de puissance, et TVS1 est un suppresseur de surtensions transitoires bidirectionnel pour protéger contre les pics et les surtensions. C6 et C7 réduisent le bruit de mode commun en sortie, et un filtre différentiel supplémentaire peut être ajouté en sortie pour les applications exigeant un très faible niveau de bruit.
En général, les condensateurs de découplage (C4, C5, C6 et C7) doivent être placés au plus près des broches et de la connexion châssis-carte mère afin de minimiser la longueur de la boucle. Le condensateur électrolytique d'entrée (C3) et la diode de protection contre les surtensions (TVS1) doivent être physiquement proches des broches d'entrée du module, la boucle restant la plus courte possible. Il convient d'éviter les pistes situées sous le module d'alimentation.
Il existe un nombre limité de modules de filtrage spécifiques à certaines applications pour les surtensions anormales rencontrées dans les applications de transmission et de défense contre les courants continus. Ces modules nécessitent généralement des composants supplémentaires pour une conformité totale.
Figure 5 : Schéma d'une application de défense contre les entrées CC
Dans ce cas, le module de filtre DSF intègre tous les circuits de protection active contre les surtensions nécessaires pour répondre aux exigences d'une alimentation nominale de 28 V pour véhicules militaires, ainsi que les inductances de filtrage. C1 complète l'étage de filtrage différentiel, tandis que C3 et C4 complètent l'étage de filtrage en mode commun. C2 fournit une source à faible impédance pour le convertisseur CC/CC de la série MTC. Lors de l'utilisation d'un module PFC pour un système d'alimentation CA, des composants CEM similaires sont requis, ainsi qu'un condensateur électrolytique haute tension (450 V CC) (C6), comme illustré. La valeur de ce condensateur est déterminée par les exigences de maintenance ou de continuité du système.
Figure 6 : Schéma des systèmes d'entrée CA
Solutions d'entrée CA
Certaines solutions d'entrée CA intègrent les sections PFC et DC-DC en une seule unité, avec des connexions disponibles pour le condensateur de grande capacité. Des exigences supplémentaires s'appliquent aux systèmes d'entrée CA concernant les distances de fuite et d'isolement entre phase et neutre, ainsi qu'entre phase, neutre et terre ; ces exigences doivent être respectées lors de la mise en œuvre du réseau électrique. Ces distances de fuite et d'isolement sont décrites dans la norme de sécurité applicable à l'application finale.
Les composants additionnels décrits ci-dessus doivent également être soigneusement sélectionnés et leur dissipation thermique doit être optimisée afin de rester dans les limites thermiques admissibles des inductances et des condensateurs de filtrage, et de garantir que les condensateurs électrolytiques utilisés atteignent la durée de vie prévue tout au long du cycle de vie de l'équipement. La chaleur dégagée par les inductances peut être dissipée vers la paroi froide de l'équipement à l'aide de pads thermiques isolants adaptés. Les autres composants sont généralement montés au dos du circuit imprimé et maintenus à l'écart des pièces exposées à des températures plus élevées.
Les principaux fabricants de ces convertisseurs haute densité refroidis par carte mère fournissent des informations d'application et des données de compatibilité électromagnétique (CEM) pour faciliter la conception. Ils disposent également d'ingénieurs d'application expérimentés qui accompagnent les utilisateurs lors des phases de conception et de tests de conformité, et proposent des tests de pré-conformité selon les normes CEM les plus courantes dans les secteurs de l'industrie, des communications, des transports et de la défense.
Le fabricant aura également utilisé les modules dans une grande variété de conceptions personnalisées pour des applications spécifiques et aura acquis une expérience précieuse quant à leur utilisation et au respect des normes de sécurité et de compatibilité électromagnétique (CEM). Faire appel au fabricant de modules pour concevoir et produire un système d'alimentation modulaire personnalisé reste une option courante, car elle élimine le besoin de ressources internes supplémentaires en conception et en tests et permet au fabricant d'équipement d'origine de se concentrer sur la conception du système principal.
Auteur : Andrew Bryars
Andrew Bryars a obtenu son diplôme avec mention en génie électrique et électronique et travaille dans le secteur de l'alimentation électrique depuis 1990. Il travaille chez XP depuis plus de 25 ans et a occupé divers postes d'ingénierie, de vente et de direction, jusqu'à son rôle actuel de chef de produit senior.
