Onduleurs industriels
Alimentations sans interruption (ASI)
La fonction première d'une ASI est de fournir une alimentation de secours temporaire en cas de perte de l'alimentation électrique de l'installation. Les alimentations sans coupure industrielles (ASI) sont destinées à être utilisées dans des situations industrielles ou manufacturières, telles que les installations et les usines. La continuité du contrôle des processus est essentielle dans un grand nombre de secteurs industriels : eau/eaux usées, biotechnologie/pharmacie, transport, chimie, alimentation et boissons, semi-conducteurs, automobile et énergies renouvelables. Les équipements déployés dans ces secteurs sont souvent soumis à des environnements difficiles, notamment à des plages de température étendues ou à des caractéristiques d'air présentant une humidité et une teneur en sel élevées. Une conception robuste de l'alimentation UPS est cruciale ici pour garantir que les données clés ou le flux de travail ne sont pas perdus en raison d'un compromis dans les niveaux de tension de fonctionnement d'un système.
Les systèmes ASI en ligne traitent toute l'énergie nécessaire à partir de la ligne électrique et fournissent une tension alternative de haute qualité pour les charges critiques en cas de panne de l'alimentation principale. Le redresseur de l'ASI convertit le courant alternatif en courant continu, puis la batterie stocke le courant continu. Voir la figure 1, à droite.
Une densité de puissance élevée est importante dans ces conceptions en raison de l'espace limité dans les applications courantes telles que les centres de données. La densité de puissance élevée est obtenue, en partie, grâce à l'élimination des transformateurs encombrants. Dans ce cas, il doit y avoir un neutre commun entre les ports CA d'entrée et de sortie en raison de l'importance de la sécurité dans les exigences de mise à la terre. Des fréquences de commutation plus élevées réduiront encore la taille de ces systèmes.
C'est là qu'interviennent les transistors de puissance à large bande interdite (WBG). L'utilisation de dispositifs WBG permet d'obtenir des systèmes UPS plus petits, plus légers et plus efficaces grâce à une capacité de commutation plus rapide et à des pertes de commutation plus faibles. Une plus grande efficacité permet d'allonger le temps de sauvegarde par rapport aux dispositifs Si moins efficaces.
Figure 1: Schéma fonctionnel de l'onduleur en ligne (Image de etechnog.com)
Market Watch estime que le marché mondial des systèmes UPS atteindra 16,6 milliards de dollars d'ici 2027, prévoyant une croissance à un TCAC de 5,2% sur la période d'analyse 2020-2027. Les États-Unis représentent plus de 27 % de la taille du marché mondial en 2020. La Chine devrait connaître un taux de croissance annuel moyen de 8,4 % pour la période 2020-2027.
Types de topologie d'ASI
En ligne
Hors ligne
En attente
Ligne interactive
Figure 2 : Schéma fonctionnel d'une ASI hors ligne (Image de etechnog.com)
Figure 3: Schéma fonctionnel de l'onduleur de secours (Image de elprocus.com)
Figure 4 : Schéma fonctionnel d'un ASI interactif en ligne (Image de elprocus.com)
Conception traditionnelle du silicium
La plupart des systèmes ASI en ligne actuels sont basés sur des topologies à deux étages, sans transformateur, avec un commun-neutre entre les ports CA d'entrée et de sortie. Les systèmes ASI en ligne à deux étages, sans transformateur, sont le plus souvent basés sur des conceptions à commutation dure qui utilisent des commutateurs à quatre quadrants. Ces commutateurs introduisent d'importantes inductances de boucle à haute fréquence, ce qui limite la réduction du volume de l'ASI en faisant fonctionner ces topologies à des fréquences de commutation élevées.
Diverses topologies d'ASI à commutation douce, adaptées au fonctionnement à haute fréquence, peuvent être utilisées ; toutefois, ces topologies contiennent des composants passifs supplémentaires pour réaliser la commutation douce ou nécessitent un transformateur pour obtenir un commun-neutre entre les ports d'entrée et de sortie du courant alternatif.
Les dispositifs de commutation en silicium ne peuvent pas atteindre la haute fréquence fournie par les dispositifs en nitrure de gallium et en carbure de silicium qui offrent des densités de puissance et des performances optimales.
Types de topologie d'ASI
Figure 5 : Topologie d'une ASI GaN avec un seul bus CC utilisant des éléments de commutation en demi-pont (image tirée de la référence 1)
L'ASI proposée utilise des structures demi-pont GaN standard avec un commun-neutre entre l'entrée et la sortie et est capable d'atteindre un fonctionnement de commutation à tension nulle (ZVS), en mode de conduction limite, sans conception de circuit complexe supplémentaire. Cette conception utilise une nouvelle méthodologie de contrôle pour l'ASI qui dispose d'un contrôleur numérique à double mode pour l'étage de redressement PFC d'entrée. Le contrôleur numérique régule la tension de sortie du convertisseur pour les charges résistives et réactives.
L'étage onduleur (DC/AC) fonctionne également en mode double, et un contrôleur numérique régule la tension de sortie du convertisseur à travers des charges résistives et réactives. Cette architecture de convertisseur est capable de fournir une puissance de sortie de 1 kVA tout en maintenant un facteur de puissance unitaire à son entrée. Cette ASI en ligne de 1 kVA à base de GaN est exploitée à l'aide de la technique de contrôle proposée dans la référence 1, et a été conçue, construite et testée. Le prototype de l'ASI, fonctionnant jusqu'à 2 MHz, a atteint une densité de puissance de 26,4 W/in3.
Avantages supplémentaires de WBG Semiconductor
Références
- Control of a GaN-Based High-Power-Density Single-Phase Online Uninterruptible Power Supply, Danish Shahzad, Saad Pervaiz, Nauman Zaffar, Khurram K. Afridi, IEEE 2019
- Performance Comparison of 1200V Silicon and SiC devices for UPS Application, James McBryde, Arun Kadavelugu, Bobby Compton, Subhashish Bhattacharya, Mrinal Das, Anant Agarwal, IEEE 2010
