Design of an integrated high-voltage low-power isolated DC/DC converter for automotive applications

Conception d’un convertisseur DC/DC isolé, intégré, haute-tension et basse-puissance pour applications automobiles Dans le contexte actuel de transitions écologique-énergétique, une multiplication des bus DC haute-tension est observée dans certaines applications (véhicules électriques ou photovoltaïque). En parallèle, certains petits systèmes requièrent d’être alimentés directement à partir de la source principale d’énergie. Ainsi nait le besoin d’un convertisseur DC/DC isolé avec une forte tension d’entrée et une faible tension/puissance en sortie, et de fortes contraintes en termes de coût, de taille et de rendement. Les convertisseurs actuellement utilisés sont majoritairement basés sur une architecture similaire, économique mais qui présente de sérieuses limites en termes de performances. Le design d’un convertisseur 800V-12V avec une puissance proche de 1W ne peut se satisfaire des approches utilisées classiquement pour atteindre le haut niveau de rendement visé (>85%). Une étude de différentes topologies pour l’étage de puissance du convertisseur est d’abord menée. Elle permet d’identifier les structures les plus prometteuses en comparant un nombre limité de critères qualitatifs. Une topologie est retenue compte tenue d’un bon compromis entre performances et complexité : les convertisseurs multi-niveaux à capacités flottantes. La création d’un circuit intégré (IC) permettant l’intégration des éléments actifs de l’étage de puissance est ensuite présentée. Une solution est présentée pour contourner les limites imposées par la technologie choisie (Bulk Silicium haute-tension) en termes d’isolation entre composants. Ensuite, une méthodologie de conception d’un transformateur planaire adapté à l’application est introduite afin de choisir les principaux paramètres de dimensionnement d’un tel composant. À l’issue de cette étape, quelques transformateurs sont proposés pour être mesurés au sein du convertisseur complet. Enfin, les différentes composantes du convertisseur sont assemblées et des mesures de rendement sont réalisées sur plusieurs points de fonctionnement proches de ceux définis par l’application. Les résultats sont à la hauteur des attentes et offrent une nette amélioration par rapport aux solutions existantes, notamment en termes de rendement.