L'isolation haute tension, qui n'est pas exactement une technologie nouvelle, prend aujourd'hui un nouvel élan avec une série de composants entièrement nouveaux à l'ère de la tendance à l'électrification qui touche également les systèmes à haute tension. Prenons, par exemple, la transition du secteur automobile vers l'électrification des véhicules, pour laquelle les besoins d'isolation haute tension entraînent de vrais bouleversements dans l'architecture des véhicules et dans certains de leurs composants essentiels.
Parmi les domaines les plus concernés par ce virage vers des systèmes haute tension, on peut noter le CANbus et la mesure du courant. Ces systèmes ont des besoins d'isolation impératifs pour empêcher les tensions des bus CC et les transitoires incontrôlées de circuler entre deux points. Dans les véhicules électriques hybrides (VEH), par exemple, il est crucial de protéger les composants fonctionnant en 12 V contre ceux qui fonctionnent à 48 V ou à des tensions encore supérieures.
Avec l'adoption croissante des véhicules électriques (VE), les systèmes haute tension prennent de plus en plus d'importance. Face à des tensions de 400, 800 V, voire davantage, l'isolation devient un critère encore plus crucial dès la conception. Il n'est donc pas étonnant que la demande en CI d'isolation évolués dans de multiples domaines soit désormais visible dans les conceptions d'électrification modernes.
Les solutions d'isolation utilisant des semi-conducteurs offrent de nets avantages par rapport aux optoisolateurs classiques. (Source : onsemi)
Ainsi, les équipementiers automobiles et les meilleurs ingénieurs ont entrepris de développer des technologies d'isolation et de voir ce que cela implique pour le système. La question, par exemple, est de connaître l'incidence de l'isolation sur la gestion des versions haute tension des MOSFET, des puces IGBT et des dispositifs en carbure de silicium (SiC) dans les environnements automobiles et industriels.
Cet article décrira l'impact des technologies d'isolation sur ces composants haute tension et montrera comment elles protègent ces dispositifs contre de larges variations de températures accompagnées de pics de tension, en particulier lorsque des densités de puissance toujours croissantes dues à l'augmentation des watts créent des conditions difficiles de chaleur et de bruit électrique.
Contacteurs statiques
Dans ce nouveau modèle à suivre pour les conceptions haute tension, les dispositifs d'isolation à semi-conducteurs offrent de nets avantages par rapport aux anciennes solutions à optoisolateurs. Ces produits continuent donc de remplacer les optoisolateurs classiques en raison de leurs meilleures performances face aux surtensions, de leur plus grande fiabilité et de leur facilité d'intégration.
Par exemple, les contacteurs statiques (SSR) peuvent déconnecter et connecter des charges à travers une unique barrière isolante en quelques microsecondes afin de garantir un fonctionnement plus sûr des systèmes automobiles haute tension. Les relais électromécaniques mettent, eux, plusieurs millisecondes pour effectuer la même tâche.
Les contacteurs statiques, qui ne nécessitent aucune pièce mécanique, sont en général conçus sous la forme de simples commutateurs ouvert-fermé qui se déclenchent lorsqu'un signal de contrôle externe les traverse. (Source : Sensata Technologies)
Contrairement aux relais électromécaniques, les contacteurs statiques (ou SSR) intègrent les fonctions d'une alimentation électrique isolée, d'un isolateur numérique et d'un pilote de porte en un unique dispositif. Un SSR, qui intègre le transfert de l'alimentation et du signal sur une même puce, peut donc remplacer au moins trois composants et donc réduire fortement la taille des conceptions, ainsi que les coûts de nomenclature.
C'est, par exemple, le cas du SSR-240A50 et du SSR-240D125, les contacteurs statiques de TE Connectivity qui cumulent faible bruit acoustique de commutation et longue durée de vie. Ensuite, Sensata Technologies offre une gamme de SSR qui permettent de surmonter les problèmes d'isolation dans les conceptions automobiles et industrielles.
D'autres types de SSR, comme les pilotes et les commutateurs isolés, facilitent également l'isolation de l'alimentation et du signal à travers une même barrière. Cela permet à un pilote de commutateur isolé équipé d'un moniteur de batterie de détecter les défauts d'isolation dans les systèmes de gestion des batteries (BMS) 400 et 800 V, plus vite et avec plus de précision qu'un photorelais à semi-conducteurs.
Par rapport à ces derniers, les pilotes de commutateurs isolés peuvent réduire sensiblement la taille de la conception grâce à l'intégration d'un transistor à effet de champ et de résistances. Qui plus est, ces systèmes d'isolation haute tension peuvent supprimer le besoin de relais à lames.
Bien que les SSR, ainsi que les pilotes et les commutateurs isolés, jouent un rôle prépondérant pour renforcer l'isolation haute tension, d'autres composants jouent un rôle tout aussi important. Le paragraphe suivant décrit quelques-uns de ces composants et leur technologie sous-jacente pour montrer comment ils fonctionnent pour différents systèmes ayant besoin d'être isolés.
Autres composants d'isolation haute tension
Outre les SST, les pilotes et les commutateurs isolés associés à cette configuration, d'autres composants contribuent à résoudre des problèmes d'isolation complexes à mesure que les conceptions automobiles et industrielles utilisent des tensions et des courants plus élevés.
C'est en premier lieu le cas des isolateurs numériques, qui permettent aux ingénieurs de mieux protéger les circuits basse tension contre les événements haute tension dans les systèmes des VEH et VE. Ils n'ont ainsi plus besoin d'incorporer des systèmes de refroidissement pour abaisser les températures en dessous de 125 °C. Par exemple, dans les systèmes 48 V pour VEH, où la coexistence de moteurs à combustion interne et de systèmes à batterie peut réchauffer l'air entourant les CI au-delà de 125°C, des isolateurs numériques peuvent être installés dans les zones à forte température sans augmenter la nomenclature ou la complexité de la conception.
Un isolateur numérique, qui associe des transformateurs à noyau d’air monolithiques et des CMOS sur un seul appareil, prend en charge plusieurs canaux de trajectoire du signal. (Source : Analog Devices Inc.)
Pour gérer les communications CAN dans les conceptions automobiles, les ingénieurs peuvent augmenter la protection et la portée du signal dans le véhicule à l'aide d'isolateurs numériques. Ces dispositifs d'isolation leur permettent également de garantir la fiabilité des motopropulseurs et des systèmes de chauffage, de climatisation et de ventilation, pour lesquels le signal doit traverser une barrière isolante dans les sous-systèmes des VEH et des VE tels que les démarreurs-générateurs, les ventilateurs de refroidissement et les inverseurs de traction.
SI8660BD-AS, l'isolateur numérique de Skyworks Solutions pour le secteur automobile, offre des performances d'isolation de 2,5 kV, 3,75 kV et 5 kV, ainsi qu'un mode de fonctionnement sans échec qui peut servir à contrôler l'état de sortie par défaut en cas de perte de puissance.
Il y a également l'isolateur numérique ADUM1310ARW d'Analog Devices Inc. (ADI), qui gère des problèmes de conception que posent habituellement les optoisolateurs, comme les fonctions de transfert non linéaire. Il supprime également le besoin de pilotes externes et d'autres composants discrets, tout en réduisant sensiblement la consommation électrique.
On peut citer ensuite le NCID9411R2, un isolateur numérique quatre canaux d'onsemi qui utilise une technologie d'isolation de condensateur galvanique hors puce pour atteindre une isolation et une immunité au bruit élevées. Cela permet d'offrir la sécurité et la fiabilité d'une barrière isolante > 0,5 mm comparable à ce qu'offraient auparavant les optoisolateurs.
Pour les besoins d'isolation haute tension, on peut également signaler les comparateurs isolés, qui combinent les fonctions de comparateur standard avec une barrière isolante galvanique pour faciliter la détection de surintensités et de surtensions isolées bidirectionnelles ultrarapides en moins de 400 ns. Les appareils de mesure du courant et de surveillance de l'isolation sont également des composants cruciaux dans les conceptions servant les stations de recharge, les unités de distribution haute tension et les solutions de stockage de l'énergie.
Renaissance des technologies d'isolation
En dehors des systèmes pour VE et VEH, l'isolation haute tension est un ingrédient important de la recette de l'électrification dans de nombreux autres secteurs, notamment les véhicules utilitaires lourds, en particulier dans les applications de transport et l'industrie. À mesure que l'électrification de ces conceptions se tourne vers une électronique de puissance à fort wattage, l'isolation électrique de la partie basse tension contre le système à haute puissance devient essentielle.
Ici, des dispositifs d'isolation à semi-conducteurs sont cruciaux pour jouer le rôle d'interface entre des régulateurs de puissance et des conceptions haute tension telles que les systèmes de gestion et de chargement des batteries des VE, les inverseurs solaires et éoliens, ainsi que les moteurs industriels. Bref, l'isolation haute tension est indissociable de l'électronique de puissance à haute densité.
