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L’environnement automobile est l’un des environnements les plus sévères pour l’électronique. Les conceptions de véhicules d’aujourd’hui prolifèrent avec des composants électroniques sensibles, notamment des commandes électroniques, des systèmes d’infodivertissement, des capteurs, des blocs-batteries, la gestion des batteries, des groupes motopropulseurs de véhicules électriques et des chargeurs embarqués. En plus de la chaleur, des transitoires de tension et des interférences électromagnétiques (EMI) dans l’environnement automobile, le chargeur embarqué doit s’interfacer avec le réseau électrique CA, nécessitant une protection contre les perturbations de la ligne CA pour un fonctionnement fiable.

Les fabricants de composants proposent aujourd’hui de multiples dispositifs pour sécuriser les circuits électroniques. En raison de la connexion au réseau, la protection du chargeur embarqué contre les surtensions à l’aide de composants uniques est essentielle.

Les solutions Littelfuse se concentrent sur les technologies avancées de protection contre les surintensités et les surtensions, notamment les thyristors de protection MOV (Metal Oxide Varistor), TVS (Transient Voltage Suppressor), GDT (Gas Discharge Tube) et SIDACtor®. Le défi des ingénieurs concepteurs ? Comment optimiser la sélection des composants et déterminer la meilleure combinaison de technologies pour atteindre les meilleures performances et le meilleur prix.

Une solution unique combine un SIDACtor et une varistance (SMD ou THT), atteignant une faible tension de serrage sous une impulsion de surtension élevée. La combinaison SIDACtor+MOV permet aux ingénieurs automobiles d’optimiser la sélection et, par conséquent, le coût des semi-conducteurs de puissance dans la conception. Ces pièces sont nécessaires pour convertir la tension alternative en tension continue afin de charger la batterie embarquée du véhicule.

Le chargeur embarqué (OBC) est exposé à des risques pendant la recharge des véhicules électriques en raison de l’exposition aux événements de surtension pouvant survenir sur le réseau électrique. La conception doit protéger les semi-conducteurs de puissance des surtensions transitoires, car des tensions supérieures à leurs limites maximales peuvent les endommager. Pour prolonger la fiabilité et la durée de vie du véhicule électrique, les ingénieurs doivent répondre aux exigences croissantes en matière de courant de surtension et abaisser la tension de serrage maximale dans leurs conceptions.

Figure 1 montre les circuits nécessitant des composants de protection et des blocs pouvant utiliser des composants à haut rendement. Le tableau répertorie les technologies recommandées.

Les impulsions de surtension potentielles pour l’OBC proviennent de coups de foudre indirects, de commutations de charge et de pannes du système. Imaginez la puissance d’un coup de foudre direct de 100 kA ; une exigence de courant de surtension élevée dans la spécification est compréhensible. D’autres causes possibles d’une impulsion de surtension sont une commutation brusque de charge et des défauts dans le système électrique.

Voici des exemples de sources de surtensions transitoires :

• Commutation de charges capacitives
• Commutation de systèmes basse tension et de circuits résonants
• Courts-circuits résultant de travaux, d’accidents de la route ou de tempêtes
• Fusibles déclenchés et protection contre les surtensions.

Le couplage des impulsions de surtension est capacitif sur câbles parallèles, inductif sur boucles conductrices et émission en champ proche. La surtension transitoire se produit sur le câble (sur les lignes d’alimentation, de données ou de signal) et elle peut être symétrique (ligne à ligne) ou asymétrique (ligne à terre). Il est crucial de connaître la source de couplage et de propagation pour résoudre le problème d’application.

La norme CEI-61000-4-5 est la norme pertinente en matière d’immunité aux surtensions. Tableau 1 répertorie les surtensions maximales jusqu’à 4 kV. La résistance du générateur de 2 Ω entraîne une impulsion de surtension de 2 kA (1a). La norme IEEE C62.41.2-2002 spécifie une surtension nominale de 6 kV/3 kA (1b). Aujourd’hui, la plupart des circuits d’alimentation CA liés au réseau électrique sont conçus pour résister aux exigences de surtension de l’IEEE.

Selon la surtension de 6 kV/3 kA, de nombreux concepteurs utilisent des MOV de 14 mm dans le circuit côté primaire CA.

Un MOV de 20 mm est préférable pour une meilleure fiabilité et protection. Le MOV de 20 mm gère 45 impulsions de courant de surtension de 6 kV/3 kA, ce qui est beaucoup plus robuste que le MOV de 14 mm. Le disque de 14 mm ne peut gérer qu’environ 14 surtensions au cours de sa durée de vie.

Comparaison des performances de protection contre les transitoires de tension

Comparez les performances de protection contre les tensions transitoires d’un MOV avec une combinaison SIDACtor+MOV. figure 3 montre les performances de serrage d’un MOV de 14 mm lorsqu’il est frappé par une surtension de 2 kV et de 4 kV. Le MOV a une tension de fonctionnement maximale de 385VAC_RMS. Les tensions de serrage sont supérieures à 1 000 V, ce qui impose un niveau de contrainte élevé aux semi-conducteurs de puissance.

Performances de tension transitoire MOV

Paramètres de sélection MOV

• Tension de fonctionnement nominale : tension continue maximale du circuit à protéger.
• Température ambiante : température dans la zone entourant le MOV, utilisée pour déterminer si un déclassement thermique est nécessaire.
• Forme d’onde de tension transitoire : définit l’impulsion transitoire, y compris la tension de crête, la durée et l’impédance de la source transitoire, généralement fournie dans une norme (par exemple, CEI-61000-4-5).
• Quantité d’impulsions de tension transitoire : défini par la norme, il s’agit du nombre d’impulsions auxquelles les composants doivent survivre et que le MOV devra absorber.
• Courant d’impulsion de pointe – L’impulsion de tension transitoire et la résistance interne du générateur fournissent le courant de pointe.
• Exigences de montage du MOV (fils droits, pliés ou SMD).
• L’exigence de répondre à la forme d’onde 6kV/3kA entraîne la sélection MOV. La durée de vie typique requise est de 10 impulsions.

Exemple de détermination de sélection

Chargeur de niveau 1 – 120 V CA, circuit monophasé : La température ambiante attendue est de 100°C.

Étape 1: Déterminez la tension nominale minimale du MOV. La règle générale est d’ajouter 25 % à la tension nominale de la ligne CA pour tenir compte d’un service d’alimentation imparfait : 120 VCA x 1,25 = 150 VCA. Il s’agit de la tension nominale minimale suggérée. Le courant de pointe maximum doit être supérieur à 3 kA.

Étape 2: La capacité de surtension répétitive doit répondre aux exigences standard. Le courant de pointe et la cote énergétique doivent être réduits en fonction du tableau de déclassement en température. La capacité potentielle élevée dépend du choix du revêtement. L’utilisation d’un GDT aide la configuration de protection à répondre aux exigences de fuite du test de potentiel élevé, qu’un MOV ne peut pas satisfaire seul.

Performances de tension transitoire du SIDACtor+MOV

L’approche SIDACtor+MOV présente plusieurs avantages. Le principal avantage est que pour une surtension de 6KV/3KA, la tension de serrage est inférieure à 1 000 V, comme indiqué dans Tableau 2.

Figure 5 illustre la réponse tension en fonction du temps de la combinaison MOV et SIDACtor + MOV, montrant encore une fois que la combinaison SIDACtor + MOV a une tension de serrage inférieure.

Un MOV seul montre une dégénérescence après plusieurs surtensions. Le courant de fuite augmente avec le nombre de surtensions que le MOV doit absorber. En outre, la tension de claquage devrait diminuer avec un nombre croissant de surtensions. La fuite croissante et le changement de tension de serrage montrent la dérive des paramètres MOV. Le concepteur doit sélectionner une taille de disque plus grande pour éviter cette situation avec un MOV. Cette approche a un impact sur le coût et consomme de l’espace critique sur les PCB. Cependant, leurs performances sont plus stables avec une combinaison SIDACtor+MOV, et le SIDACtor prolonge la durée de vie du MOV.

SIDACtor+MOV : La solution supérieure pour la protection contre les surtensions transitoires

Alors qu’un concepteur envisagera un MOV pour la protection contre les transitoires de tension des circuits en aval, Littelfuse peut offrir au concepteur une solution supérieure avec son thyristor de protection SIDACtor placé en série avec un MOV. La combinaison SIDACtor+MOV a une tension de serrage plus faible pour réduire la contrainte des semi-conducteurs. De plus, la combinaison présente un courant de fuite beaucoup plus faible et une tension de claquage qui se dégrade beaucoup moins avec l’augmentation des chocs transitoires. L’utilisation d’une combinaison SIDACtor+MOV pour la protection contre les surtensions transitoires se traduira par un chargeur embarqué plus fiable et plus robuste.

Pour en savoir plus sur l’utilisation des thyristors de protection SIDACtor dans les véhicules électriques, téléchargez le Comment sélectionner la protection optimale contre les surtensions transitoires pour les chargeurs embarqués des véhicules électriques note d’application, gracieuseté de Littelfuse, Inc.

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