Nouveau composant de protection foudre

Située proche du siège d’un célèbre avionneur européen, la société ELEXIS accompagne les grands constructeurs aéronautiques dans la fourniture de composants électroniques sensibles. ”Dernièrement, les équipementiers confrontés à des niveaux foudre indirects très importants recherchaient une solution intégrée pour protéger l’avionique des impacts foudre’’, explique Philippe Seilles, le gérant.

La société DEI (Device Engineering Inc .) vient de développer un nouveau composant, le DEI 1606 dont la fonction est de limiter le courant dans les câblages à la suite d’un impact foudre.

L’emploi de composite et de carbone sur les avions exposent les équipements à des niveaux de foudre indirects plus énergétiques.

L’association d’une petite TVS (suppresseur de tension transitoire) permet au DEI1606 d’assurer la protection des composants en courant et en tension.

Testé et validé

Les équipements opérants au sein d’un avion peuvent nécessiter des niveaux de protections pour des formes d’ondes dont le niveau énergétique est très important. De ce fait, les composants de protection doivent être d’une qualité et d’une fiabilité irréprochable.

Le DEI 1606 ou « SBM : Surge Blocking Module » est un nouveau composant de protection foudre qui utilise la technologie SiC (Silicon Carbide, tension maximum 1700V) qui lui confère un poids et un encombrement réduit (un plus pour les avions) tout en lui permettant de limiter efficacement  le courant pour des niveaux d’énergie élevés.

Des essais en laboratoire réalisés sur des calculateurs avioniques intégrant le DEI 1606 se sont révélés concluants pour des formes d’ondes rapides mais aussi pour les formes d’ondes les plus énergétiques WF5 et ont démontré l’efficacité de ce nouveau type de protection.

En aéronautique, la foudre est l’une des menaces les plus sérieuses pour les composants avioniques. Les niveaux de courant générés au niveau du fuselage peuvent atteindre plusieurs dizaines de kA et peuvent endommager la structure de l’aéronef et éventuellement perturber le fonctionnement normal des équipements électroniques. En effet, lors d’un éclair, la structure de l’avion ne se comporte pas comme une cage de Faraday; l’énergie électrique est couplée à l’équipement électronique via les différents mécanismes de couplage (effet résistif, capacitif, magnétique). Cette dernière conséquence est appelée «  Lightning Indirect Effet » (LIE), dont les contraintes sont bien gérées dans les avions à structure métallique (A/C). Cependant, une forme d’onde induite qui est plus énergétique doit être prise en compte pour les fuselages en composite carbone (CFRP). Comme on peut le voir sur la figure 1 et le tableau 1, la structure en CFRP est la plupart du temps exposée à une forme d’onde de courant beaucoup plus lente et plus énergétique en raison de la faible conductivité du matériau . Les équipements électroniques doivent donc être conçus avec des dispositifs de protection LIE spécifiques.

La protection commune la plus connue est la TVS « suppresseur de tension transitoire ». Si les deux côtés d’un circuit sont protégés avec une TVS, cette solution induit un courant élevé dans les boucles de faisceau avec un risque supplémentaire de couplage entre les fils.

Pour gérer la forme d’onde lente dans les nouveaux fuselages en CFRP, la méthode TVS peut être appliquée, mais le dispositif de protection jusqu’à la WF5A nécessitera quatre fois plus de surface sur le circuit imprimé. Au niveau d’un avion, la protection de l’équipement est un compromis entre l’installation et la robustesse de l’équipement. L’impact du poids est tout aussi important. Comme le montre la figure 2, pour une dissipation de puissance de 27 kW, nous avons besoin d’un dispositif traversant pour la protection LIE ou de cinq composants de montage en surface (SMD) telle que les TVS. Plusieurs autres solutions existent mais ne permettent pas une économie de surface.

Le nouveau concept SBM consiste à augmenter l’impédance de boucle. Dans ce cas, le courant reste limité et la puissance dissipée est faible. Les deux derniers composants illustrés figure 2 sont un SBM et une petite TVS; En combinant ces deux composants de petite taille, il est possible de gérer les contraintes des énergies LIE élevées et l’encombrement au niveau du circuit imprimé.

Concept du SBM

Le SBM a été développé pour réduire l’énergie dissipée. Son principe consiste à insérer un limiteur de courant dans la boucle composée d’un fil et de deux TVS, comme illustré à la figure 3. Dans le cas d’une surtension, la TVS conduit le courant lorsque la surtension dépasse la tension de maintien. Le SBM en série limite le courant de surtension à une valeur proche de 10A, permettant ainsi l’utilisation de diodes TVS de faible puissance pour assurer la protection en tension.

Une étude sur la surface et le volume économisé pour la protection d’un calculateur de vol montre que le SBM permet un gain de 20%.

Le DEI 1606 désigné par SBM est un composant bidirectionnel pour la limitation de courant utilisant deux transistors JFET  canal N en Silicon Carbide normalement ON. Le schéma de la nouvelle approche est illustré à la figure 4. En mode de fonctionnement normal, le SBM agit comme une résistance série de faible valeur (<1,7Ω pour les JFET) et est conçu pour fonctionner à des courants nominaux atteignant ± 0,45A.

Conclusion :

L’objectif principal de l’utilisation du DEI 1606 est d’améliorer la protection foudre au niveau des circuits imprimés en limitant l’énergie. L’utilisation d’un SBM permet d’optimiser un développement sans tenir compte de l’endroit où sera installé l’équipement dans l’avion. De plus, avec ce type de protection, le gain de poids et de surface peut atteindre 20%. Il a été démontré par les essais réalisés que le SBM associé à une petite TVS peut protéger les Entrées/Sorties contre des pics de courants importants.

Les mesures de la protection foudre ont montré que le courant restait inférieur à 12 A et que les mesures BCI qui permet de qualifier la susceptibilité par une injection plus longue d’un courant plus faible sont concluantes, car l’intégration de ce dispositif n’ajoute aucune susceptibilité aux équipements.

La société DEI travaille aussi sur l’amélioration des performances du SBM en augmentant la puissance nominale et en réduisant la valeur de la résistance du composant. Cela permettra son utilisation pour la protection des alimentations.