Actionneur en environnement haute température

04/10/2018
Publication 3EI 3EI 2018-94
OAI : oai:www.see.asso.fr:1044:2018-94:23551
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Actionneur en environnement haute température

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Actionneur en environnement haute température La Revue 3EI n°94 Octobre 2018 Thème 28 Actionneur en environnement haute température REGIS MEURET1 , LAURENT GUILBAUD2 , BRUNO ALLARD 3 , DANIEL ROGER 4 1 Safran Electrical & Power, Rond-Point René Ravaud, 77551 Moissy Cramayel, France 2 THALES CAP Bretagne - Zone Artisanale Le Piquet 35370 ETRELLES 3 Laboratoire Ampere, INSA de Lyon 20 avenue Albert Einstein 69621 Villeurbanne 4 LSEE - FSA, Rue Gérard Philipe, Technoparc Futura 62400 BETHUNE regis.meuret@safrangroup.com 1. Introduction L’électrification de certains actionneurs a été réalisée sur les derniers programmes et c’est le cas des actionneurs de frein qui l’ont été sur le B787 ,pour l’instant cette électrification a été faite en plaçant l’électronique en zone soute pressurisée pour des raisons de maîtrise de la fiabilité ,de coût et de disponibilité des composants et en protégeant le moteur de la chaleur émise par le disque carbone du frein en effet à ce jour la réalisation d’électronique de puissance en zone non pressurisée entraîne des sur coûts et le niveau de robustification est encore à optimiser ; dans le futur l’optimisation de ce système passera par l’utilisation d’une électronique de commande du moteur au plus près de l’actionneur et un moteur électrique intégré à l’actionneur permettant une réduction de masse et câblage . Cette solution pour sa faisabilité passe par l’utilisation de technologie haute température au niveau moteur et électronique de commande et puissance accompagnée d’une recherche d’intégration des fonctions de commande pour les placer sur la couronne de frein . Ces travaux ont fait partie des objectifs de nombreux projets de recherche comme SEFORA le premier et SICRATES le dernier, et des collaborations avec IDEALEC via le projet RAPID TADORNE (voire article pour la partie Bus barre) ou Gore avec de nombreux partenaires pour effectuer les recherches nécessaires et pour fournir les composants nécessaires à la réalisation de cette chaîne électrique. Des composants de nouvelle technologie ont été évalués dans la perspective d’un convertisseur intégré servant à la commande d’un moteur de vérin d’une puissance de 1 à 5 kW sur un réseau DC de 540 V et pouvant atteindre une tension de 900 V pic. Le carbure de silicium démontre de réelles capacités à fonctionner en haute température, tout en ayant des pertes en commutation fortement réduites grâce à la rapidité de commutation. La conception d’un convertisseur nécessite aussi l’emploie de passif comme les condensateurs d’entrée, le filtre réseau et les bus barres pour relier les éléments de puissance entre eux. Une nouvelle technologie de condensateur a été étudiée avec la société Gore qui a utilisé son film ePTFE gardant ses propriétés jusqu’à 230 °C et permet donc de réaliser des condensateurs d’une très grande stabilité et autocicatrisable ( 8µF 1000 V ) , la solution céramique présente une densité plus importante mais avec une grande variabilité en fonction de la température . 2. Réalisation de la partie driver Pour les drivers et la partie commande rapprochée, le choix des composants s’est porté sur des composants SOI de la société XREL en technologie HT°1 µm, pour la partie regulation de vitesse et contôle de l’actionneur il est sans doute préférable de garder une partie déportée de l’actionneur avec des contraintes plus faible en température et donc pouvant utiliser des technologies plus fine Actionneur en environnement haute température La Revue 3EI n°94 Octobre 2018 Thème 29 Figure 1 : Driver hors alimentation Un volume non négligeable de l’onduleur de puissance est consacré à l’isolation galvanique au niveau des commandes et de l’alimentation du driver, qui doit répondre à deux critères : l’un statique (tenue diélectrique statique), l’autre dynamique (susceptibilité à des perturbations, qualifiée en kV/µs). L’accent a été mis sur l’isolation galvanique des signaux logiques d’entrée et de l’alimentation de la commande locale de grille,l’objectif principal étant l’augmentation de la densité de puissance du module de puissance avec des facteurs de forme contraints. L’isolation des signaux logiques est assurée par des transformateurs à air. Les dispositifs sont basés sur la technologie sur verre disponible à STMicroelectronics- Tours, avec l’optimisation de la géométrie du transformateur ainsi que du matériau isolant (parylène), pour une tenue à haute température (3000h sans vieillissement à 250°C). L’isolation de l’alimentation du driver (28V/6V, 2W) a fait l’objet de plusieurs points d’étude : la synthèse d’une structure de conversion à faible perte, minimisant les contraintes sur le dispositif magnétique d’isolation, l’augmentation du niveau d’isolation dynamique (100kV/µs), la géométrie du dispositif magnétique minimisant la surface. Le flyback quasi- résonant à clamp est apparu le meilleur compromis. L’analyse de dispositifs magnétiques planaires a fait ressortir le compromis entre la géométrie des bobinages et la fréquence de découpage. Le choix de composants GaN basse-tension a obligé à corriger les paramètres de leur modèle pour une précision acceptable en fonctionnement ZVS. La mise au point d’un procédé bas coût d’enfouissement de dispositifs magnétiques dans un substrat polymère a permis de contrainte la surface du convertisseur, tout en garantissant une haute performance d’isolation dynamique (75 kV/µs) et une absence de vieillissement à 3000h à 250°C . Figure 2 : alimentation : capacité parasite 1.7 pF Un circuit intégré spécifique a été conçu pour encapsuler les composants actifs au sein de l’alimentation à découpage, en utilisant la technologie 1µm de la société XFab . 3. Réalisation de la partie module de puissance : L'objectif principal de THALES DMS ETRELLES dans le cadre du projet SiCRATES visait à développer de nouvelles technologies d'assemblage compatibles avec composant WBG capables de supporter un environnement sévère pour un module de puissance fonctionnant avec un Tj de 250° C. En raison de la limitation connue des brasures pour le report des puces JFet en SiC, la technologie du frittage argent a été utilisée pour ses propriétés thermiques et sa compatibilité avec le substrat de puissance. Les défis relevés ont également porté sur le développement d’un matériau de protection innovant (encapsulant rigide) résistant aux contraintes avioniques telles que les vibrations et la haute température, ainsi que l’intégration de la commande (driver avec coreless) capable de supporter 230°C, superposée au module de puissance au moyen d’un inter poseur avec contact à ressorts. Actionneur en environnement haute température La Revue 3EI n°94 Octobre 2018 Thème 30 Le test électrique de démonstrateurs (phase leg et driver) a permis de vérifier avec succès la fonctionnalité de la commande, confirmant une qualité de technologie et matériaux d’assemblage prometteurs pour les applications Haute Température. Figure 3: Module de puissance avec son driver intégré 4. Réalisation de la partie moteur électrique Les travaux menés sur les moteurs ont montré qu’il est possible de réaliser des bobines inorganiques adaptées aux moteurs synchrones à aimants permanents (MSAP). Cette option technologique permet d’atteindre des températures internes de 500°C en régime permanent. Les bobines des prototypes ont été faites avec du fil rond à isolation inorganique mince (10µm) existant sur le marché, le Cerafil 500. Les bobines réalisées avec ce fil sont enrobées dans un ciment HT° à grains très fins et à base d’alumine. La figure 4 représente le stator à isolation inorganique du prototype de MSAP 24 dents / 20 pôles et le schéma des connexions d’une phase Figure 4. Stator du prototype de la MSAP 24/20 HT° à isolation inorganique. Les propriétés électriques et mécaniques du Cerafil 500 sont très médiocres par rapport à celles des fils émaillés classiques réalisés avec des polymères. L’enrobage de ciment HT° donne à la bobine les propriétés mécaniques requises et