Onduleurs ESS / solaires : le fil à triple isolation va dans l'alimentation auxiliaire, pas dans l'étage de puissance principal

Les équipes de conception d'onduleurs photovoltaïques (PV) et de stockage d'énergie (ESS) posent souvent une même question : « Ce fil à triple isolation (TIW) peut-il servir dans un onduleur ? » La question met tout l'onduleur dans le même sac ; la réponse honnête se donne étage par étage. Le chemin de puissance principal (inductance d'élévation DC/DC, inductance de filtrage réseau DC/AC — et beaucoup de modèles raccordés au réseau n'ont même pas de transformateur d'isolement principal) est bobiné en conducteurs de forte section et en fil de Litz, et n'est le terrain d'aucun fil à triple isolation monobrin ; la place du fil à triple isolation est le petit transformateur flyback isolé de l'alimentation auxiliaire / de polarisation (auxiliary / bias). Cet article décompose un onduleur en étages, explique étage par étage quel composant magnétique y est employé et où le TIW intervient réellement, et donne aux ingénieurs alimentation, magnétique, sécurité et achats une ligne de référence honnête. Il ne fournit qu'une orientation et des critères ; toutes les valeurs des produits DAH JIN sont « selon le document d'approbation ».

1. Décomposer d'abord l'onduleur PV / ESS en étages

Le travail d'un onduleur est de convertir entre courant continu et courant alternatif : l'onduleur solaire transforme le continu des panneaux PV en alternatif injecté au réseau ; le système de conversion de puissance (PCS) d'un stockage d'énergie doit être bidirectionnel, convertir le continu de la batterie en alternatif et redresser l'alternatif pour recharger la batterie. Sur le plan de la sécurité, ces deux applications relèvent de l'IEC 62109 (voir §4), dont la Partie 2 inclut explicitement dans son domaine d'application les onduleurs « pouvant être utilisés en association avec des batteries ou d'autres formes de stockage d'énergie ».

Prenons l'exemple courant de l'onduleur string solaire. La note d'application TI sur les alimentations auxiliaires le découpe en plusieurs étages de conversion de puissance : le premier est l'étage DC/DC, qui génère une tension de bus continu stable à partir du continu du string PV ; l'étage onduleur (DC/AC) convertit ensuite ce bus continu en alternatif injecté au réseau. Un autre document TI sur les topologies de puissance des onduleurs string le divise lui aussi en trois grands blocs de puissance — un étage convertisseur DC/DC unidirectionnel, un étage DC/DC bidirectionnel et un étage onduleur DC/AC bidirectionnel — et indique que, dans les applications sensibles au coût, le DC/DC frontal adopte le plus souvent une topologie boost (élévatrice) non isolée.

Déplié selon « l'emplacement des composants magnétiques », un onduleur se résume à peu près aux deux chemins ci-dessous, dont les besoins magnétiques sont totalement différents :

• DC/DC frontal (boost / MPPT) — Fonction：Établit un bus continu stable à partir du string PV ou de la batterie；Composant magnétique typique：Inductance boost / self de choc (fort courant, gros noyau)；Catégorie du TIW monobrin ?：Non (voir §2)
• Étage onduleur DC/AC — Fonction：Convertit le bus continu en alternatif injecté au réseau；Composant magnétique typique：Inductance de filtrage réseau (filtre LCL courant, deux inductances)；Catégorie du TIW monobrin ?：Non (voir §2)
• Transformateur d'isolement principal (en topologie isolée) — Fonction：Isolement primaire/secondaire et adaptation de tension；Composant magnétique typique：Transformateur de puissance bobiné ou planar；Catégorie du TIW monobrin ?：Non (enroulements de forte section, voir §2)
• Alimentation auxiliaire / de polarisation (aux / bias) — Fonction：Alimentation « domestique » de la commande, des capteurs et des drivers de grille；Composant magnétique typique：Petit transformateur flyback isolé；Catégorie du TIW monobrin ?：Oui, emplacement habituel (voir §3)

L'essentiel d'abord : le chemin de puissance principal (inductance boost, inductances du filtre LCL, transformateur d'isolement principal) n'est pas la catégorie de produit du fil à triple isolation monobrin de DAH JIN ; la véritable place du TIW est le petit transformateur d'isolement de la dernière ligne. Les sections suivantes reprennent chaque étage.

2. Pourquoi la puissance principale n'est pas le terrain du TIW monobrin

Deux faits clés de l'étage de puissance principal le placent d'emblée hors de portée du fil à triple isolation monobrin.

Premièrement, beaucoup d'onduleurs raccordés au réseau n'ont tout simplement pas de transformateur d'isolement principal. Les onduleurs string sans transformateur (transformerless), monophasés comme triphasés, sont une pratique courante du secteur, et la littérature indique explicitement que ces topologies « ne possèdent pas d'isolation galvanique » — autrement dit, il n'existe aucun transformateur de puissance bobiné entre le côté PV et le côté réseau ; les composants magnétiques de l'étage de puissance principal sont l'inductance boost et l'inductance de filtrage réseau (le filtre LCL courant contient lui-même deux inductances). Sans transformateur d'isolement principal, la question « faut-il du TIW dans l'enroulement de puissance principal ? » ne se pose même pas.

Deuxièmement, les inductances de puissance principale sont des composants magnétiques de puissance à fort courant et gros noyau, bobinés en conducteurs de forte section. L'enroulement d'une inductance à fort courant doit arbitrer entre résistance en continu et résistance en alternatif à haute fréquence ; les quatre choix pratiques de l'ingénieur sont le fil massif, le fil de Litz, le feuillard plat et le feuillard formé — un fil massif monobrin ne conduit, en haute fréquence, que dans sa couche superficielle et subit de fortes pertes cuivre en alternatif, de sorte que les inductances haute fréquence à fort courant passent au fil de Litz (de nombreux brins fins qui se partagent le courant) ou au bobinage en feuillard pour réduire les pertes. Le fil à triple isolation est positionné exactement à l'opposé : c'est un fil émaillé monobrin relativement fin, recouvert d'une épaisse isolation à trois couches, dont la valeur est d'obtenir avec un seul fil l'isolation renforcée (Reinforced) et de s'affranchir de la ligne de fuite, afin de miniaturiser les petits transformateurs de faible à moyenne puissance. Placer ce fil monobrin fin à isolation épaisse sur l'enroulement à fort courant d'une inductance de puissance principale ne convient ni pour le courant admissible ni pour les pertes cuivre haute fréquence — et ni une marque ni un document d'approbation n'y changent rien.

Même lorsqu'un onduleur adopte une topologie isolée et possède bel et bien un transformateur d'isolement principal, il s'agit d'un transformateur de puissance à enroulements de forte section, qui n'est pas davantage le terrain du TIW monobrin. La réponse honnête à « faut-il du fil à triple isolation dans la puissance principale d'un onduleur solaire / ESS ? » est donc : non. C'est cohérent avec la position de l'article « Alimentations de centres de données / serveurs IA » de cette série : la puissance principale est le domaine des conducteurs de forte section (Litz / feuillard / planar) ; le TIW se situe à un autre étage.

3. La place du fil à triple isolation : le transformateur flyback de l'alimentation auxiliaire / de polarisation

En dehors de la puissance principale, chaque onduleur possède une alimentation « domestique ». La note d'application TI la définit clairement : l'alimentation auxiliaire est « conçue pour alimenter les composants de commande, de chaîne de signal, de mesure et de driver de grille », et elle « se présente généralement sous la forme d'un contrôleur flyback isolé qui convertit la tension du bus continu ou du réseau alternatif (ou des deux) » en ce dont les composants internes ont besoin pour fonctionner ; sans cette alimentation, l'électronique de l'appareil n'est plus alimentée et tout le système tombe en défaut. Le document précise aussi que des composants comme les drivers de grille « dépendent d'une tension de polarisation correcte pour piloter correctement les transistors de puissance ».

Deux caractéristiques de cette alimentation auxiliaire fixent la place du TIW : une faible puissance, mais un isolement de sécurité entre primaire et secondaire. Faible à quel point ? Le design de référence d'alimentation auxiliaire cité dans le même document TI admet 350 V à 1500 V en entrée pour seulement 150 W environ en sortie — une mince tranche face à un étage de puissance principal de quelques kilowatts à plusieurs centaines de kilowatts. Et ce qu'elle emploie est précisément un petit transformateur d'isolement bobiné (flyback) : obtenir l'isolation renforcée sur un si petit transformateur avec un seul fil de bobinage est justement le moyen usuel du secteur pour le fil à triple isolation — les guides de construction de transformateurs flyback de tiers comme les travaux sur les alimentations auxiliaires d'onduleurs PV indiquent que le TIW est utilisé sur l'enroulement secondaire d'un transformateur flyback lorsqu'un isolement renforcé primaire/secondaire est requis. C'est le niveau d'application auquel correspondent réellement les quatre fils à triple isolation DAH JIN (TLW-B, TLW-BB, TLW-B7S, TLW-F).

Pour cet étage, la base de première main que DAH JIN peut fournir est un ensemble fixe de conditions de certification, et non l'affirmation « déjà monté dans tel onduleur » : les quatre types figurent dans le périmètre d'évaluation IEC 62368-1 Annex J du VDE 40008834 Anlage 200 ; les valeurs concrètes — tension de service, tension de crête, fréquence d'essai — sont selon le document d'approbation et le certificat VDE ; diamètre 0.10–1.00 mm (TLW-B7S : conducteur toronné à 7 brins, brins de 0.10–0.30 mm) ; classe thermique 130(B), TLW-F en classe F (155 °C). Côté conception, la démarche consiste à relever le point de fonctionnement réel de votre transformateur flyback auxiliaire / de polarisation et à le confronter aux conditions Annex J inscrites dans le document d'approbation — dans les conditions, le fil est candidat ; si un seul point sort du cadre, une évaluation séparée est nécessaire. Cet article ne recalcule pas le point de fonctionnement d'un transformateur à partir des tensions de string PV ou de bus continu, et n'affirme pas que le fil à triple isolation DAH JIN a été monté dans un onduleur particulier. Pour la frontière entre classe thermique du fil et classe thermique du système d'isolation, voir Classe thermique du fil et classe thermique du système d'isolation.

4. Le cadre de sécurité : comment l'IEC 62109 traite l'isolement

La sécurité des onduleurs finis relève de l'IEC 62109. La Partie 1 (exigences générales) traite la protection des équipements de conversion de puissance PV contre les chocs électriques, l'énergie, l'incendie, les dangers mécaniques, etc., y compris les systèmes d'isolation (principale / supplémentaire / renforcée) ainsi que les lignes de fuite et distances d'isolement selon le niveau de tension et le degré de pollution, et s'applique jusqu'à 1500 V côté continu et 1000 V côté alternatif ; la Partie 2 (exigences particulières pour les onduleurs) couvre explicitement les onduleurs raccordés au réseau et autonomes, et inclut ceux « pouvant être utilisés en association avec des batteries ou d'autres formes de stockage d'énergie » — le PCS de stockage relève donc du même cadre.

Il faut ici distinguer deux niveaux (brièvement ; les détails sont dans le texte de la norme) : l'IEC 62109 est la norme de sécurité de l'onduleur fini, qui décide du niveau d'isolement requis pour l'appareil et de la barrière sur laquelle il repose ; le document d'approbation du TIW est une évaluation d'isolement au niveau du matériau (du fil), réalisée selon UL 2353 / IEC 62368-1 Annex J (TIC / audio-vidéo) et IEC 60601-1 (médical, selon le document d'approbation). Ce ne sont pas le même niveau, et l'un ne remplace pas l'autre. La bonne pratique de conception : le produit fini passe l'IEC 62109 et, lorsqu'un transformateur flyback auxiliaire / de polarisation doit atteindre l'isolation renforcée au niveau de l'enroulement, on choisit un fil à triple isolation dont les conditions du document d'approbation couvrent ce point de fonctionnement, comme l'un des moyens d'obtenir l'isolation renforcée. Quant au niveau d'isolement à retenir, à la tenue diélectrique et aux distances associées, c'est la classification IEC 62109 du produit fini qui en décide, et non une déduction à rebours depuis un catalogue de fils. Les valeurs correspondantes de DAH JIN sont selon le document d'approbation et ne sont pas reproduites ici.

5. Critères d'ingénierie : classer d'abord, parler du fil ensuite

Conclusion en une page pour les ingénieurs alimentation / magnétique, dans l'ordre « d'abord placer le composant dans son étage, ensuite décider du TIW » :

1. Chemin de puissance principal (inductance boost, inductances de filtrage réseau LCL et, s'il existe, transformateur d'isolement principal) : conducteurs de forte section — fil de Litz ou bobinage en feuillard là où fréquence et courant sont élevés, pour réduire les pertes cuivre ; les modèles sans transformateur n'ont même pas de transformateur d'isolement principal. Cet étage n'est pas la catégorie du fil à triple isolation monobrin ; il n'y a ni besoin ni raison d'y penser au TIW.
2. Petit transformateur d'isolement (flyback) de l'alimentation auxiliaire / de polarisation : c'est là le transformateur d'isolement bobiné, et la place du fil à triple isolation. Pour sélectionner un TIW, relevez la tension de service, la tension de crête et la fréquence d'essai réelles de ce transformateur et confrontez-les aux conditions de certification Annex J inscrites dans le document d'approbation (avec un diamètre dans la plage 0.10–1.00 mm, et des brins de 0.10–0.30 mm pour le TLW-B7S) — dans les conditions, le fil est candidat ; si un seul point sort du cadre, une évaluation séparée est nécessaire.
3. Ni recalcul, ni extrapolation : ne recalculez pas le point de fonctionnement du transformateur à partir des tensions de string PV ou de bus continu ; pour le médical, l'Annex L (2 MOOP / 2 MOPP) a son propre jeu de conditions, lié uniquement aux TLW-BB et TLW-B7S, avec des valeurs également selon le document d'approbation. Pour le premier aiguillage de sélection (B 130 °C vs F 155 °C), voir le guide de sélection du fil à triple isolation.