Variateur de vitesse compact pour véhicule hybride
L’hybridation électrique des véhicules pose de sérieux problèmes de volume, puisqu’il faut ajouter des éléments significatifs sans en supprimer aucun. Par exemple, le variateur de vitesse pilotant le moteur électrique est souvent placé sous le véhicule, où il s’insère à la place d’une partie du réservoir de combustible. Ainsi l’autonomie du véhicule hybride devient, dans une certaine mesure, inversement proportionnelle au volume du variateur de vitesse. Pour ces marchés contraints, ACILTEK a développé avec APsi3D et SIREPE des variateurs de vitesse très compacts, proposant des courants efficaces jusqu’à 600A sous 400V (800V le cas échéant) dans un parallélépipède de 2L, soit une puissance de 250 kVA et une densité de 125 kVA/L (250 kVA/L sous 800V).
Les variateurs de vitesse sont des convertisseurs comptant très peu de composants. En effet, leur charge (une machine tournante électrique) est fortement inductive et supporte des tensions commutées si le câblage est assez court. Dans un véhicule hybride, comme dans un véhicule électrique, l’énergie électrique est stockée dans une batterie « haute tension » (actuellement autour de 400V) qui alimente directement le variateur de vitesse. Ainsi, ce convertisseur est composé d’un commutateur polyphasé (triphasé le plus souvent), d’un condensateur de découplage assurant la tension aux bornes du commutateur lors des commutations et des commandes rapprochées du commutateur. La commande éloignée est intégrée au calculateur du véhicule. Les marges de manœuvre pour améliorer la compacité sont donc faibles.
Fig. 1 : Variateur de vitesse compact pour véhicule hybride
Tout d’abord, les condensateurs de découplage occupent environ la moitié du volume. En triphasé, leur valeur de capacité est déterminée à la fréquence de découpage, cette contrainte est facilement remplie. Par contre, ils supportent un courant efficace proportionnel au courant de charge, ce qui détermine leur volume. SIREPE a proposé une architecture entrelacée à 6 bras qui réduit ce courant efficace, et donc le volume des condensateurs, par deux. Ce variateur doit alors alimenter des moteurs à six sorties (ce peut être 2 enroulements triphasés, chaque phase étant dédoublée, ce qui est facile à réaliser).
Du côté des composants semi-conducteurs formant le commutateur, les niveaux de tension et de courant imposent l’utilisation d’IGBT Silicium dans les applications actuelles. Plus onéreux, les MOSFET en carbure de Silicium offrent l’avantage de fonctionner efficacement sous une tension plus élevées, avec le même système de refroidissement. Ils seraient donc plus appropriés pour des variateurs de plus fortes puissances, sur des systèmes avec des tensions de batteries de 800 à 900V. Le variateur de vitesse d’ACILTEK a été conçu pour fonctionner avec les deux types de semi-conducteurs.
Justement, le système de refroidissement des composants semi-conducteurs est primordial dans une conception compacte. Plus la densité de puissance est élevée, plus la conductivité thermique du refroidissement doit être élevée. Ainsi, le refroidissement liquide est très souvent utilisé dans les variateurs. La technologie de refroidissement du module encapsulant les puces semi-conductrices est déterminante pour l’efficacité du refroidissement. Plus le liquide de refroidissement est proche de la puce, plus la résistance thermique est faible. La société APsi3D a développé des modules triphasés à refroidissement direct double face. Deux canaux sont créés dans le module et viennent en contact avec des échangeurs brasés directement au support des puces semi-conductrices, ce qui permet une excellente efficacité de refroidissement. Ces modules sont 50% plus compacts que leurs concurrents, à courant commuté égal.
Fig. 2 : Variateur de vitesse compact et carte de commande
La commande rapprochée dispose donc de moins de surface pour remplir les mêmes fonctions pour deux fois plus de composants (6 bras), tout en supportant des distances d’isolation importantes pour permettre l’utilisation de composants SiC sous 900V. C’est un doux euphémisme d’affirmer que le routage est extrêmement contraint.
Tout ceci pour aboutir à un premier démonstrateur en 2021, qui intègre une carte de commande éloignée pour faciliter les démonstrations, permettant à ACILTEK de démarcher de nouveaux clients.
