Brevet FR2979494A1 — publié le 20130301

Système de distribution d'électricité dans les aéronefs La présente invention concerne de façon générale la distribution d'électricité dans les aéronefs. Plus particulièrement, la présente invention porte sur des systèmes et des dispositifs pour assurer une meilleure distribution d'électricité dans les aéronefs. Les systèmes de distribution d'électricité pour aéronefs selon la technique antérieure peuvent présenter un groupe transformateur-redresseur (GTR) servant à convertir en courant continu de sortie un courant alternatif d'entrée à tension relativement élevée issu d'un alternateur embarqué, par exemple un groupe d'alimentation auxiliaire (acronyme anglais APU, pour « auxiliary power unit ») d'aéronef. Un tel GTR peut se trouver tout près de l'APU, un bus à basse tension et haute intensité étant alors utilisé pour distribuer de l'électricité à diverses charges partout sur le fuselage de l'aéronef. De plus, divers dispositifs de protection de faisceaux de câblages classiques tels qu'un ou plusieurs régulateurs de puissance à semiconducteurs (SSPC) peuvent être prévus pour réguler la puissance fournie à diverses charges en empêchant des états de surtension, en assurant une protection contre l'allumage d'arcs, une protection contre la foudre, etc. Par exemple, un courant triphasé d'entrée de 230 volts peut être converti en courant continu de sortie de 28 volts par un GTR en vue d'une distribution à l'aide de câblages à basse tension prévus pour distribuer le courant continu de 28 volts partout dans l'aéronef. Cependant, de tels câblages à basse tension doivent pouvoir acheminer un courant de forte intensité (par exemple, 700 ampères) sans surchauffe. Cela signifie que les câblages nécessaires ont forcément une âme constituée par un gros conducteur et sont donc lourds. De plus, comme le GTR se trouve généralement tout près de l'alternateur, de nombreux kilomètres de câblages peuvent ainsi être nécessaires pour distribuer le courant à basse tension dans tout l'aéronef. Cela implique donc forcément que le faisceau de câblages de l'aéronef soit lourd. Par conséquent, la présente invention a été mise au point compte tenu des inconvénients évoqués ci-dessus, associés au système de distribution d'électricité d'aéronefs selon la technique antérieure. Selon un premier aspect de la présente invention, il est donc proposé un système de distribution d'électricité pour aéronef. Le système de distribution d'électricité comporte un premier faisceau de câblages connecté à une source d'alimentation en électricité. Au moins un convertisseur de puissance intégré à découpage est connecté à la source d'alimentation en électricité par l'intermédiaire du premier faisceau de câblages. De plus, au moins une charge électrique est connectée à une sortie respective d'un convertisseur de puissance intégré à découpage respectif par l'intermédiaire d'un second faisceau de câblages. Selon un autre aspect de la présente invention, il est proposé un convertisseur de puissance intégré à découpage (CPID) destiné à servir dans un aéronef. Le convertisseur de puissance intégré à découpage comprend des circuits de conversion de tension pour convertir une tension d'entrée, à un premier niveau, en une tension de sortie, à un second niveau, et des connecteurs de sortie servant à connecter la tension de sortie à une ou plusieurs charges. Dans le CPID se trouvent également des circuits de régulateur de puissance à semi-conducteurs servant à réguler la tension et/ou l'intensité de sortie fournie à une ou plusieurs charges par les connecteurs de sortie. Grâce à la présence d'un convertisseur de puissance intégré à découpage et à une nouvelle architecture apte à utiliser ce dispositif novateur, il est possible de proposer diverses formes de réalisation de la présente invention dans lesquelles des faisceaux de câblages plus légers peuvent être utilisés dans des aéronefs. De plus, une architecture simplifiée pour la distribution d'électricité peut également être proposée, ce qui réduit le temps et le coût du travail d'installation et de remise en état nécessaires lors de la création ou de l'entretien d'un système d'alimentation électrique d'aéronef. L'invention sera mieux comprise à l'étude détaillée de quelques modes de réalisation pris à titre d'exemples non limitatifs et illustrés par les dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 représente un système de distribution d'électricité selon la technique antérieure pour un aéronef ; - la figure 2 représente un système de distribution d'électricité pour un aéronef selon diverses formes de réalisation de la présente invention ; - la figure 3 représente un convertisseur de puissance intégré à découpage selon une forme de réalisation de la présente invention ; - la figure 4 représente une courbe 12t de protection de distribution pour le convertisseur de puissance intégré à découpage de la figure 3 ; - la figure 5 représente un convertisseur de puissance intégré à découpage selon une autre forme de réalisation de la présente invention ; et - la figure 6 représente un convertisseur continu-continu destiné à servir dans le convertisseur de puissance intégré à découpage de la figure 5. La figure 1 représente un système de distribution 10 d'électricité pour aéronef selon la technique antérieure. Le système de distribution 10 d'électricité comporte un alternateur triphasé 20 à haute tension (par exemple à courant alternatif de 230 V). L'alternateur 20 est connecté à un groupe transformateur-redresseur (GTR) 30 situé tout près de celui-ci par un premier bus d'alimentation 50. Le bus d'alimentation 50 a une longueur Lpsu et comprend trois fils conducteurs séparés réunis les uns aux autres pour former un faisceau. Le GTR 30 peut être conçu pour produire diverses tensions de sortie en vue d'une distribution dans l'ensemble d'un aéronef. Par exemple, une alimentation de la cabine en courant continu de 28 V peut être nécessitée par des charges 70. Ainsi, un second bus d'alimentation 60 est utilisé pour distribuer aux charges 70 le courant de cabine provenant du GTR 30 via un régulateur 40 de puissance à semi-conducteurs qui assure la protection des câblages et des charges. Dans l'exemple présenté, le SSPC 40 régule la puissance fournie aux deux charges, mais il est entendu qu'un nombre de charges plus grand ou plus petit peut être régulé par un seul SSPC 40, et qu'un seul ou plusieurs SSPC 40 peut/peuvent être connectés, si nécessaire, au second bus d'alimentation 60. Des bus d'alimentation supplémentaires (non représentés) peuvent également être prévus pour distribuer de l'électricité à d'autres tensions dans tout l'aéronef. Les charges 70, présentes par exemple dans la cabine, peuvent être réparties à une certaine distance du GTR 30, lequel peut être situé au même endroit que l'alternateur 20, par exemple près d'un des moteurs de l'aéronef. De ce fait, la longueur LouT des câblages présents dans le second bus d'alimentation 60 peut être considérable, par exemple telle que LOUT » LPSU. Cependant, étant donné que le second bus d'alimentation 60 fonctionne à une tension d'alimentation relativement basse (par exemple 28 V), les câblages présents dans celui-ci doivent être tels qu'ils permettent l'acheminement de courants d'une intensité relativement élevée (par exemple, 700 Amp pour une alimentation en 19,6 kW). Cela implique donc que de longs câblages à âme d'un grand diamètre sont nécessaires pour le second bus d'alimentation 60, ce qui signifie à son tour que le second bus d'alimentation 60 est forcément relativement lourd. Le poids de l'éventuel blindage prévu pour protéger le second bus d'alimentation 60 augmente également parallèlement à l'augmentation du diamètre du bus et accroît donc encore le poids de tout faisceau de câblages, incluant le second bus d'alimentation 60. La figure 2 représente un système de distribution d'électricité 100 pour aéronef selon diverses formes de réalisation de la présente invention. Le système de distribution d'électricité 100 comprend un premier faisceau de câblages 150 connecté à une source 120 d'alimentation en électricité. Le premier faisceau de câblages 150 peut servir, par exemple, à distribuer un courant alternatif ou un courant continu à haute tension à partir de la source d'alimentation 120 en électricité. Dans une forme de réalisation, le faisceau de câblages 150 comprend une paire de fils minces pour distribuer un courant alternatif ou continu à haute tension (HT), par exemple un courant continu de 270 V. Non seulement le fait d'utiliser de tels fils crée un câble relativement léger, mais encore assure une protection contre les tensions de mode commun pour n'importe quels dispositifs connectés à ceux-ci. C'est particulièrement utile lorsque le premier faisceau de câblages 150 est réparti sensiblement dans toute la cellule, car on dispose alors d'une bonne protection pour les dispositifs présents dans l'aéronef contre les parasites électromagnétiques (EMI) provoqués par les orages, les impacts de foudre, etc. Dans d'autres formes de réalisation possibles, trois ou quatre fils relativement minces peuvent être utilisés pour distribuer du courant alternatif HT à partir de la source d'alimentation 120 en électricité. Les câblages HT sont relativement légers, car le diamètre de l'âme des conducteurs présents dans ceux-ci est petit. Par exemple, le premier faisceau de câblages 150 peut comprendre des câblages HT prévus pour fonctionner avec un courant continu ou un courant alternatif à : > 100 V, > 200 V, > 250 V, environ 230 V, 270 V, - 270V, ± 270 V, 540 V, etc. Non seulement l'utilisation de câblages minces permet un gain de poids, mais encore elle rend les câblages nécessaires relativement souples et donc plus faciles à faire passer dans l'ensemble d'une cellule. Le système de distribution d'électricité 100 comporte également au moins un convertisseur de puissance intégré 180 à découpage connecté à la source d'alimentation 120 en électricité par le premier faisceau de câblages 150. Des convertisseurs découpage sont préférables, car ils assurent un plus grand rendement en comparaison de régulateurs linéaires. Par exemple, les convertisseurs de puissance intégrés à découpage des formes de réalisation décrites ci-après en référence aux figures 3 à 6 peuvent être utilisés. De tels convertisseurs de puissance intégrés 180 à découpage peuvent être répartis sur l'ensemble du fuselage d'un aéronef à proximité de la charge (ou des charges) respective(s) qu'ils doivent faire fonctionner. Un second faisceau de câblages 160 relativement court, à plus grande intensité admissible, peut ainsi servir à connecter la/les charges électrique(s) 170 à une sortie respective d'un convertisseur de puissance intégré 180 à découpage correspondant. De la sorte, la/les charge(s) électrique(s) 170 peut/peuvent être située(s) tout près du/des convertisseurs de puissance intégrés 180 à découpage qui les font fonctionner et les protègent. Dans diverses formes de réalisation préférées, la longueur moyenne LOuT Av des fils de connexion du second faisceau de câblages 160 connectant les convertisseurs de puissance intégrés 180 à découpage aux charges électriques respectives 170 est plus courte que la longueur moyenne LPSU AV des fils connectant la source d'alimentation 120 en électricité au(x) convertisseur(s) de puissance intégré(s) 180 à découpage, si bien que LPSU AV > LOUT AV- Dans diverses formes de réalisation, la/les charge(s) peut/peuvent être située(s) tout près d'un convertisseur de puissance intégré respectif à découpage de telle façon que : LOUT AV G Certains systèmes de distribution d'électricité proposés selon diverses formes de réalisation de la présente invention sont donc beaucoup plus faciles à réagencer, modifier ou ajuster que des systèmes de distribution d'électricité pour aéronefs selon la technique antérieure. La figure 3 représente un convertisseur de puissance intégré 280 à découpage selon une forme de réalisation de la présente invention. Le convertisseur de puissance intégré 280 à découpage comprend un étage de conversion de puissance et un étage SSPC combinés. L'étage SSPC peut servir à assurer une fonction de protection de câbles sans présenter aucune régulation. Le convertisseur de puissance intégré 280 à découpage possède une ligne d'entrée 250 de courant connectée à un transformateur 251. Le courant appliqué à la ligne d'entrée 250 de courant est converti en courant continu par des circuits de conversion de tension pour faire fonctionner une charge 270. L'enroulement primaire 252 du transformateur 251 est connecté à des circuits de régulation de puissance à semi-conducteurs pour assurer une régulation de puissance et une protection du convertisseur de puissance intégré 280 à découpage. La ligne d'entrée 250 de courant est connectée à un premier côté de l'enroulement primaire 252. L'autre côté de l'enroulement primaire 252 est connecté au drain d'un transistor MOSFET de puissance 256. La source du MOSFET 256 est mise à la terre via une résistance 262 de détection d'intensité. Une diode 258 à polarisation inverse est disposée sur les connexions de source et de drain du MOSFET 256 afin d'empêcher un endommagement du MOSFET 256 provoqué par une force contre-électromotrice. Le substrat du MOSFET 256 est connecté au potentiel de source, tandis que la grille est couplée à un régulateur de conversion 272 par l'intermédiaire d'une résistance 268. Des entrées d'un amplificateur opérationnel 264 sont connectées à la résistance 262 de détection d'intensité. L'amplificateur opérationnel 264 est conçu pour produire un gain fixe prédéterminé. La sortie de l'amplificateur opérationnel 264 produit donc un signal de détection d'intensité qui est fourni au régulateur de conversion 272. Le régulateur de conversion 272 est couplé à un SSPC 274. Le SSPC 274 est alimenté en électricité par une source de courant continu 282 et commande le régulateur de conversion 272 de façon que le régulateur de conversion 272 régule ensuite l'intensité dans l'enroulement primaire 252 en modifiant la tension appliquée à la grille du MOSFET de puissance 256 par l'intermédiaire de la résistance 268. Une éventuelle panne du MOSFET 256 dans l'état bloquant ou passant offrira l'avantage d'empêcher la charge 270 d'être mise sous tension. La détection d'intensité pour le SSPC 274 s'effectue à partir d'une sortie 294 d'un circuit 292 de détection d'intensité servant à mesurer l'intensité d'entrée de la charge 270. L'intensité de sortie est donc mesurée par le SSPC 274 et une décision peut être prise pour ainsi neutraliser le convertisseur à découpage. Le circuit 292 de détecteur d'intensité peut, par exemple, être constitué par un agencement de résistance de détection d'intensité/amplificateur opérationnel similaire à celui utilisé pour fournir le signal de détection d'intensité pour le régulateur de conversion 272. Ainsi, cette conception peut être utilisée sous diverses formes afin de réaliser un système de distribution d'électricité à sécurité intrinsèque. Une première extrémité d'un enroulement secondaire 254 du transformateur 251 est montée en série avec la charge 270 par l'intermédiaire d'une première diode de redressement 284 et d'une bobine de lissage 288. La première extrémité de l'enroulement secondaire 254 est connectée à l'anode de la première diode de redressement 284. Une seconde extrémité de l'enroulement secondaire 254 est connectée à la charge et à l'anode d'une seconde diode de redressement 286. Les cathodes des première et seconde diodes de redressement 284, 286 sont connectées l'une à l'autre et à une extrémité de la bobine de lissage 288. L'autre extrémité de la bobine de lissage 288 est connectée à la charge 270 par l'intermédiaire du circuit 292 de détection d'intensité. Des connecteurs de sortie 260 permettent un couplage en parallèle des bornes d'un condensateur de lissage 290 sur la charge 270 et le circuit 292 de détection d'intensité. Le conducteur du condensateur de lissage 290 non connecté électriquement à la bobine de lissage 288 est connecté à la fois à la charge 270 et à l'anode de la seconde diode de redressement 286. En fonctionnement, les première et seconde diodes de redressement 284, 286, la bobine de lissage 288 et le condensateur de lissage 290 servent à redresser et lisser le courant alternatif fourni par l'enroulement secondaire 254. Ainsi, une alimentation en courant continu est assurée pour la charge 270 à partir des connecteurs de sortie 260. La figure 4 représente une courbe 12t 210 de protection de distribution pour le convertisseur de puissance intégré 280 à découpage de la figure 3. La courbe 12t 210 de protection de distribution illustre la manière dont le courant appliqué à la charge 270 par les connecteurs de sortie 260 est temporairement limité afin de protéger la charge 270 et le faisceau de câblages connectant à celle-ci le convertisseur de puissance intégré 280 à découpage. Une zone de courte durée 216 est représentée, durant laquelle le courant est limité à une intensité maximale 212 (par exemple, 600% de l'intensité nominale maximale constante) pendant un laps de temps A. La zone de courte durée 216 est gérée cycle par cycle par le régulateur de conversion 272. Cela fait à son tour l'objet d'une surveillance par le SSPC 274, lequel commande également la zone fonctionnelle 214 de 12t. Au SSPC 274 est fourni le même signal de détection de courant qu'au régulateur de conversion 272, mais le SSPC a la priorité pour inhiber l'étage de conversion de puissance. Cette combinaison peut ainsi assurer une fonction de protection de charge et de commande de commutation répartie pour une conversion intégrée globale de puissance. La figure 5 représente un convertisseur de puissance intégré 380 à découpage selon une autre forme de réalisation de la présente invention. Le convertisseur de puissance intégré 380 à découpage comprend une série de trois lignes d'alimentation d'entrée 350. Les lignes d'alimentation d'entrée 350 fournissent un courant électrique triphasé à un correcteur de puissance 382. Les câblages connectés aux lignes d'alimentation d'entrée 350 peuvent se connecter à des fils d'alimentation à haute tension et basse intensité d'un premier faisceau de câblages (non représenté) et assurent une alimentation d'entrée pour le convertisseur de puissance intégré 380 à découpage. Le correcteur de puissance 382 réalise une correction de facteur de puissance qui amène le système électrique à ressembler à une résistance pour n'importe quelle source en amont. Souvent, cette correction de facteur de puissance est imposée pour la plupart des applications aérospatiales et peut présenter une sortie utilisant une liaison de courant continu à haute tension mais fonctionnant à un potentiel plus haut que ne peut en produire l'entrée. Le correcteur de puissance 382 fournit un potentiel de courant continu de sortie entre une première ligne d'alimentation en courant continu 383 et une seconde ligne d'alimentation en courant continu 385. Trois convertisseurs continu-continu 384 sont présents en parallèle les uns avec les autres. Entre la première et la seconde lignes d'alimentation en courant continu 383, 385 est également monté un condensateur de lissage 351. Ainsi, une entrée de courant continu est créée pour chacun des convertisseurs continu-continu 384. Les convertisseurs continu-continu 384 sont commandés par une unité de commande 360 par l'intermédiaire d'une première et d'une seconde lignes de commande 357, 359. Chaque convertisseur continu-continu respectif 384 est également pourvu d'une paire de connecteurs de sortie 362 servant à une connexion à un second faisceau de câblages (non représenté). Un avantage de l'utilisation des convertisseurs continu-continu 384 est d'assurer une redondance avec une protection localisée contre les mises en court-circuit. En outre, l'utilisation de la conversion continu-continu offre l'avantage que, en cas de défaillance de l'unité de commande 360, le convertisseur de puissance intégré 380 à découpage cesse de fonctionner car il n'y a pas de transmission d'électricité dans le transformateur 386 depuis la source vers les charges, ce qui constitue un mode intrinsèquement sûr pour cette conception. En fonctionnement, l'unité de commande 360 fournit des signaux de commande de commutation à des convertisseurs respectifs parmi les convertisseurs continu-continu 384 afin de réguler la tension de sortie et de limiter l'intensité produite par les connecteurs de sortie 362. Les signaux de commande de commutation peuvent, par exemple, assurer une commande de modulation de durée d'impulsion (MDI) pour les convertisseurs continu-continu 384. La MDI peut servir à créer deux états de commande pour le dispositif de commutation, à savoir une chute de tension avec une intensité nulle/basse ou une intensité avec une chute de tension nulle/faible. De ce fait, une faible chute de puissance se produit dans le commutateur lui-même en comparaison, par exemple, d'une méthode d'excitation linéaire dans laquelle les pertes par résistance dans le transistor MOSFET lui-même seraient élevées. On peut également utiliser une commutation à rapport cyclique fixe ou variable. De préférence, l'unité de commande 360 comprend également un microprocesseur (non représenté). Le microprocesseur peut servir à ajouter un traitement algorithmique au convertisseur de puissance intégré 380 à découpage de façon que soit assurée la fonctionnalité du SSPC. En intégrant un convertisseur à découpage à fonction SSPC, diverses formes de réalisation de la présente invention permettent de se passer des transistors MOSFET classiques à haute puissance de sortie de SSPC normalement nécessaires pour un courant de sortie à forte intensité et, en revanche, permettent une fonction SSPC apte à neutraliser un commutateur à puissance inférieure, par exemple un MOSFET, servant à assurer une fonctionnalité de découpage dans le convertisseur. Eventuellement, divers capteurs de courant (non représentés) peuvent également être présents dans le convertisseur de puissance intégré 380 à découpage qui peut alors être contrôlé par l'unité de commande 360. La figure 6 représente un convertisseur continu-continu 384 destiné à servir dans le convertisseur de puissance intégré 380 à découpage de la figure 5. La première ligne d'alimentation en courant continu 383 est connectée à une connexion de drain d'un premier commutateur 381 à TEC (acronyme pour transistor à effet de champ). Une connexion de grille du premier commutateur 381 à TEC est connectée à la première ligne de commande 357. La seconde ligne d'alimentation en courant continu 385 est connectée à une connexion de source d'un second commutateur 387 à TEC. Une connexion de grille du second commutateur 387 à TEC est connectée à la seconde ligne de commande 359. Un ou plusieurs des premier et second commutateurs 381, 387 à TEC peuvent être constitués par des transistors à effet de champ à carbure de silicium (SiC). De tels TEC à SiC sont particulièrement utiles dans le cas où des alimentations HT sont réalisées. Un transformateur 386 est également présent dans le convertisseur continu-continu 384. L'enroulement primaire 388 du transformateur 386 connecte la source du commutateur 381 à TEC au drain du second commutateur 387 à TEC. Les commutateurs 381, 387 à TEC sont protégés contre la force contre-électromotrice par une première diode 364 et une seconde diode 366. L'anode de la première diode 364 est connectée à la seconde ligne d'alimentation en courant continu 385 et la cathode de la première diode 364 est connectée à la source du premier commutateur 381 à TEC. La cathode de la seconde diode 366 est connectée à la première ligne d'alimentation en courant continu 383 et l'anode de la seconde diode 366 est connectée au drain du second commutateur 387 à TEC. L'enroulement secondaire 390 du transformateur 386 possède une prise centrale. La prise centrale constitue un premier connecteur de sortie 362. Un second connecteur de sortie 362 est connecté à la cathode d'une première diode de redressement 369. L'anode de la première diode de redressement 369 est connectée à une première extrémité de l'enroulement secondaire 390. La seconde extrémité de l'enroulement secondaire 390 est connectée à l'anode d'une seconde diode de redressement 368. La cathode de la seconde diode de redressement 368 est également connectée au second connecteur de sortie 362. De plus, un condensateur 371 est présent entre le premier et le second connecteurs de sortie 362 pour réduire les ondulations du courant continu. Une panne éventuelle d'un ou de plusieurs des commutateurs 381, 387 à TEC (en mode à circuit ouvert ou à court-circuit) empêchera tout transfert d'électricité dans le transformateur 390, ce qui assure donc encore une protection intrinsèque supplémentaire du convertisseur de puissance intégré 380 à découpage contre une défaillance d'un tel composant. Bien que divers aspects et formes de réalisation de la présente invention aient été décrits ici, certaines variantes apparaîtront aux spécialistes de la technique. Par exemple, on réalisera que l'utilisation de divers convertisseurs de puissance intégrés à découpage peut permettre à un premier faisceau de câblages de fonctionner uniquement à l'aide d'une seule tension d'alimentation, ce qui permet le remplacement des multiples bus de tension présents dans les systèmes de distribution d'électricité d'aéronefs selon la technique antérieure. Par exemple, un premier faisceau de câblages peut utiliser une alimentation en courant alternatif de 230 V ou en courant continu de +/- 270 V, une conversion locale de puissance étant alors employée par divers convertisseurs de puissance intégrés à découpage afin de créer les tensions spécifiques nécessaires localement pour toute charge particulière. Ainsi, de telles configurations peuvent servir à réduire encore la complexité des câblages, le volume des composants utilisés et le poids global pour divers systèmes de distribution d'électricité d'aéronefs. Par exemple, il est envisagé que diverses formes de réalisation de la présente invention puissent assurer un allègement de 30% de l'ensemble des faisceaux de câblages. De plus, les spécialistes de la technique savent que divers agencements de bus d'alimentation à basse tension peuvent utiliser un seul bus d'alimentation, une ligne de retour ou de terre étant constituée par diverses pièces conductrices d'un fuselage d'aéronef. Divers convertisseurs de puissance intégrés à découpage selon des formes de réalisation de la présente invention peuvent également être présents sous la forme de composants dans un boîtier unique, par exemple les circuits de ceux-ci se présentant sous la forme d'un unique circuit intégré (IC) sur une tranche de semi-conducteurs commune. Il est également entendu, pour les spécialistes de la technique, que des convertisseurs de puissance intégrés à découpage peuvent être réalisés pour améliorer encore les capacités d'un système d'alimentation électrique classique. De tels convertisseurs de puissance intégrés à découpage peuvent, sans limitation, seuls ou en combinaison, servir à alimenter une ou plusieurs charges à une ou plusieurs tensions.