Contexte et défis

Les préoccupations liées au réchauffement climatique poussent le secteur de l’aviation à adopter des technologies innovantes pour des vols plus écologiques, les acteurs du secteur s’étant engagés à atteindre des objectifs ambitieux visant à réduire de 50 % les émissions nettes mondiales de carbone de l’aviation d’ici 2050 par rapport à 2005. La propulsion hybride-électrique est l’une des solutions proposées pour atteindre cet objectif ambitieux. La mise en œuvre de cette solution ouvre de nouvelles perspectives, mais soulève également de nouveaux défis, tels que la nécessité de disposer de systèmes de gestion thermique (TMS) dédiés au refroidissement des moteurs électriques.

Proposition

L'Union européenne a cofinancé le projet ORCHESTRA (Optimised electric network aRCHitEctures and SysTems for more-electric Aircraft) afin de concevoir de nouvelles technologies permettant d'augmenter de 10 % le rendement et de réduire de 25 % le poids du système d'alimentation électrique (EPS) par rapport à l'état de l'art.

Dans le cadre du projet ORCHESTRA, Skylife a développé un convertisseur modulaire bidirectionnel de type « Dual Active Bridge » (DAB) destiné à gérer le transfert d’énergie entre le bus à courant continu kilovolt (KVDC) (1-3 kV) et le bus à courant continu haute tension (HVDC) (540 V).

La solution

Le convertisseur de puissance conçu par Skylife pour ce projet présente une caractéristique principale à prendre en compte : l’entrée haute tension, qu’elle soit de 1 kV ou de 3 kV. Généralement, pour ce niveau de tension, les solutions les plus courantes intègrent des modules IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) comme semi-conducteurs, en raison de leur capacité à supporter une tension élevée et un courant important. Cependant, dans ce cas précis, la taille et le poids du convertisseur sont également des facteurs critiques, ce qui a motivé l’augmentation de la fréquence de commutation, rendant ainsi indispensable l’utilisation de composants plus rapides tels que les MosFET SiC (transistors à effet de champ à semi-conducteur à oxyde métallique et carbure de silicium), dotés d’une bonne résistance à la tension et d’une capacité de courant élevée.

La topologie choisie pour le convertisseur CC/CC était celle du « Dual-Active Bridge ». Ce choix s’est fondé sur les principales caractéristiques de cette topologie : flux de puissance bidirectionnel, rendement élevé, régulation de tension, isolation galvanique, harmoniques réduites et modularité. C’est cette dernière caractéristique qui a permis d’utiliser le convertisseur dans différentes configurations modulaires pour fonctionner à une tension d’entrée de 1 kV ou 3 kV. Lorsque la tension d’entrée est de 1 kV, les convertisseurs sont connectés en parallèle en entrée, selon une configuration dite IPOP (Input Parallel, Output Parallel). Lorsque la tension d’entrée est de 3 kV, leurs entrées sont connectées en série, selon une configuration dite ISOP (Input Series, Output Parallel). Ces deux types de connexion sont illustrés dans l’image suivante.

La conception des convertisseurs a été réalisée pour atteindre les caractéristiques suivantes.

• Puissance nominale : 70 kW
• Tension nominale KVDC : 1 kV
• Tension nominale HVDC : 540 V
• Topologie : pont double actif