CEM en Électronique de Puissance

1. CEM en Électronique de Puissance • Problèmes de CEM en EdP • Pourquoi la simulation numérique appliquée à la CEM • Les outils numériques • La CEM au CEGELY • Conclusions et perspectives sur la modélisation en CEM

2. Pourquoi de la CEM en EdP ? • Sûreté de fonctionnement: • auto perturbations (puissance - commande, ...) • source de perturbations pour d’autres dispositifs • agressions extérieures (naturelles ou non) • … • Intensification des problèmes: • augmentation des fréquences en EdP • intégration des systèmes • foisonnement des dispositifs électriques (automobile, …) • diminutions des tensions d’alimentation des systèmes de commande • pollution ambiante (radar, téléphonie, …) … « Développement en harmonie avec l’extérieur »

3. Pas que des mesures: pas répétitives quoi mesurer trop de grandeurs à mesurer influence des capteurs sur les grandeurs mesurées coût (temps + matériel nécessaire) élaboration des gabarits normatifs ? tests réalisés sur un produit déjà «construit» problèmes (normatifs, fonctionnement) ? quoi faire ? solutions basées sur l’expertise de l’ingénieur !!! Intérêt de la modélisation numérique appliquée à la CEM ?

4. Apport de la modélisation: +d’informations accès à des grandeurs non mesurables valeurs absolues environnement contrôlé (espace libre, …) meilleure identification des problèmes amélioration des dispositifs durant la phase de développement des temps et des coûts de développement amélioration des tests (plus ciblés) amélioration des spécifications (normatif)

5. complexité des dispositifs: • structures 3D: boîtiers, surfaces fines, matériaux, • structures filaires, pistes de circuits • imprimés, jeux de barres, ... • éléments non linéaires: • interrupteurs d’EdP • impédances d’E/S des circuits, … • Modélisation de dispositifs réalistes ? La modélisation numérique appliquée à la CEM

6. Codes de calcul Codes 3D de calcul de champs électromagnétiques: diffraction CEM répartitions des champs EM méthodes numériques: FDTD, TLM, FV, BEM, BIM, FE, … domaine fréquentiel ou temporel effort de calcul - précision prise en compte des matériaux prise en compte des câbles, pistes, boîtiers, blindages … prise en compte de circuits électriques complexes prise en compte des CL …

7. Mesuré Calculé Mesuré Calculé Codes de calcul de réseaux de câbles: impédances des 3 composants d’un réseau: source, câbles, charge fréquentiels (en général): dépendance fréquentielle des paramètres du réseau temporel: dépendance fréquentielle difficile des paramètres du réseau échantillonnage de la longueur des câbles précision: dépend de l ’approximation de la méthode TL de la description des fils

8. L K1 D3 D1 U i i2 L i1 v L v1 v2 vs D D2 K2 t t Logiciels de calculs de circuits électriques: simulation du fonctionnement normal des circuits électriques description de circuits électriques complexes éléments non linéaires utilisation du circuit imprimé réel (layout) pas faits pour la CEM possibilité de simuler un fonctionnement réel (renseigner le logiciel sur les éléments parasites) difficultés pour avoir les I(V) sur les ports d ’E/S

9. Couplages de méthodes: a chaque niveau problème équivalent à résoudre codes 3D codes de calcul de réseaux de câbles champ calculé en l’absences de câbles couplage par la théorie champ à lignes de transmissions codes de calcul de réseaux logiciels de calcul de circuits modèles équivalents de Thévenin modèles équivalent calculés pour des charges de référence (circuit ouvert, 50 ohms, court circuit)

10. Aéronautique: injection de courant dans une structure (corps d’un avion) gain d’une antenne montée sur le fuselage d’un avion … Automobile: onde incidente sur un véhicule courant induit dans le câblage … Moyens de mesures Normatifs: NSA numérique … Quelques exemples

11. CEM des lignes et réseaux • couplage temporel perturbation - ligne: Azrak (84), Pardo (87), Seltner (92) • caractérisation de la foudre, propagation: Rathoin (93), Ben Rhouma (96) • CEM de l'électronique de puissance • étude et quantification des perturbations • rayonnées: Fillon (86), Lu (90), Puzo (92) • modélisation du rayonnement: Ben Hadj Slama (97) • modélisation compatibilité et susceptibilité: Bost (99), Himeur (02) La CEM au CEGELY    identification, caractérisation   Modélisation numérique, calcul de champs

12. point decollocation xi xM R I(x,tk) t ’ t  Einc(xM,tk) xi+1 xM+1 Formulation • Objectif: • évaluer la compatibilité et la susceptibilité d'une structure de type électronique de puissance, en fonctionnement normal • prise en compte simultanée des courants conduits et induits • Equation intégrale en champ électrique: • Hypothèses: fils = conducteurs électriques parfaits fils fins: courants et charges linéiques • Formulation: équations de Maxwell en temporel à partir des potentiels retardés • Avantages: condition de rayonnement maillage linéique

13. présent passé Résolution numérique • Résolution par la méthode des moments: • singularité en 1/R2 • fonction de base: ordre 1 en espace et en temps • traitement pour les singularités géométriques et les jonctions • schéma implicite itératif dans le temps • Stabilité de la méthode: • rayon du fil: a << L et a << l • discrétisation spatiale: Dl = 5a , avec Dl  l/10 • discrétisation temporelle: Dl=Dt/c à 4 Dt/c, avec Dt  T/10

14. Insertion des composants • Insertion de générateurs: • source de tension = source localisée de rayonnement • Insertion de composants linéaires et non linéaires: • pas de susceptibilité et de rayonnement propres • localisés aux nœuds du maillage • modèle comportemental HF • caractérisés par leur impédance transitoire • Formulation finale: • superposition du schéma intégral et des lois d ’Ohm

15. E R D L MOS Exemple: rayonnement d’un hacheur U, I I diode (A) 12 - U diode (x10V) 10 8 6 4 2 temps (µs) 0 0 2 4 6 8 10 12 14 -2 -4 -6 Courant et tension dans la diode de roue libre - Diode: modèle comportemental de Ch. Batard (1992) - MOSFET: modèle issu de Arnould, Merle (1992) Champ électrique rayonné à 40 cm 26 nœuds - Tcpu=15 mn sur HP9000

16. Exemple: susceptibilité d’un redresseur Diode: V = 100V f=250 kHz R=100 W Einc=E0(e-at-e-bt) avec a=3.3 106 et b=4.5 108 120 mm Einc 100V 250 kHz R = 100W Modèle comportementalde Ch. Batard (1992) Courantdans le circuit 16 nœuds - Tcpu=6 mn sur HP9000

17. Avantages - incovénients • Avantages: • Temporel: prise en compte des transitoires • Bien adapté pour les BF • Inconvénients: • Problèmes liés aux contraintes de discrétisation • Prise en compte de l’environnement EM • Améliorer la formulation: • Robustesse, rapidité • Meilleure prise en compte des phénomènes: • Améliorer la prise en compte des composants =>couplage équations de Maxwell et • de dérive-diffusion • Prendre en compte l'environnement: pistes larges, blindages, ... =>couplage avec • modèles surfaciques et volumiques • Couplage avec thermique

18. Autres voies • Numérique: • Formulation 3D en champ + discrétisation en EF d’arête • Meilleure prise en compte de l’environnement EM • Éléments passifs localisés, sources de tensions localisées, pistes filaires • Éléments non linéaires ? • Pistes réelles ? • Mixte mesures et simulation numérique: • CEM inter systèmes: un sous ensemble = 1 source de perturbation • Identification des sources (mesures en environnement maîtrisé) • Calcul de sources équivalentes numériques • Calcul numérique de l’influence des sources de perturbations sur les autres dispositifs dans un environnement réel

19. Moyens de mesures: Chambre anéchoïde (ferrites + diélectriques stratifiés) récepteurs de mesures antennes large bandes sondes de champs proches amplificateurs … Mesures normatives (PME, PMI, …) Validation des outils numériques développés

20. Conclusions Aucun code n’est capable de tout simuler Complexité des systèmes couplage de méthodes ? Simplification des modèles ? Précision des paramètres dans les modèles ? Aspect statistiques ? CEM au niveau système ?