Ce travail de thèse est consacré à l'étude de l'influence du couplage intercomposants sur les performances du filtre CEM. Cette dernière nous a permis de déduire qu'un meilleur comportement du filtre est obtenu lorsque le couplage magnétique inter-composants annule l'inductance parasite du condensateur (ESL=M).
GENERALITES SUR LES FILTRES CEM
Base de la CEM
- Perturbations électromagnétiques
- Mécanismes de couplage des perturbations électromagnétiques
- CEM en électronique de puissance
L'évolution de l'ESR du condensateur en fonction de la fréquence peut limiter les performances du filtre. Sur la base des paramètres géométriques de la bobine (Tableau IV-3), nous avons construit le modèle 3D à l'aide de CST (Figure IV-17).
Filtre CEM généralités
- Introduction et Conception de Filtre CEM
- Différents structures de filtres
- Exemple d’un filtre CEM
Imperfections des composants passifs
- Condensateur
- Technologie des condensateurs
- Modèles électriques des condensateurs réels
- Bobines
- Technologie des bobines
- Modèles électriques des bobines réels
- Couplage entre les condensateurs et les bobines
- Technique de couplage indirect
- Technique de couplage direct
Dans le cas d'un couplage positif (exemple Figure II-4 a), on constate une dégradation des performances du filtre. La méthode d'optimisation du filtre est liée aux paramètres électriques du condensateur et de la bobine.
Conclusion et objectif de l’étude
ÉTUDES SUR LE FILTRE CEM DE TYPE LC
Introduction
Un diagramme illustrant les champs en fonction du sens de l'écoulement est présenté à la figure II-4. Ceci est démontré par une simple simulation du circuit électrique, représentée sur la figure II-5(c), pour différentes valeurs de M.
Comportement du filtre en fonction de la mutuelle
- Effet de la Mutuelle sur la branche capacitive
- Cas de couplage faible
- Cas de couplage optimal
- Cas de couplage fort
- Effet de la mutuelle sur la branche inductive
- Cas de couplage faible
- Cas de couplage optimal
- Cas de couplage fort
- Validation expérimentale des modèles mathématiques
Sur la figure IV-34, nous avons noté une amélioration des performances du filtre à partir de 100 kHz. Nous avons essayé de concevoir la géométrie de la bobine pour optimiser les performances du filtre.
Méthodologie adoptée pour l’optimisation de la performance du filtre
- Introduction
- Influence de l’inductance (L) sur la performance du filtre
- Influence de la capacité parasite (EPC) sur la performance du filtre
- Influence des résistances sur la performance du filtre
- Influence de ESR sur la performance du filtre
- Influence de R L sur la performance du filtre
- Caractérisations des composants
- Incertitude de la mesure avec un analyseur de réseau
- Incertitude de la mesure avec un analyseur d’impédance
Conclusion
Tout d’abord, nous avons étudié l’effet de l’inductance mutuelle, qui dépend uniquement de l’emplacement des composants. Les résultats ont mis en évidence trois scénarios en fonction de la valeur de la réciproque (M
Cette configuration de couplage direct, où l'inductance parasite du condensateur est compensée par l'inverse M, a été validée par simulation et expérimentalement sur un modèle de filtre CEM de type LC. Pour appliquer la méthode d'optimisation, il est nécessaire de prédire la valeur correcte de l'inductance mutuelle entre la bobine et le condensateur. Le prochain chapitre sera consacré à la modélisation 3D de notre condensateur et de notre bobine pour prédire le couplage et le placement des composants.
MODELISATION 3D ET OPTIMISATION DU FILTRE
Introduction
La figure III-24 présente l'évolution de la perte d'insertion en fonction de la fréquence. Les paramètres du modèle 3D du condensateur sont déterminés à partir de la mesure de l'inductance parasite (ESL) et de l'inductance mutuelle (M) pour une position spécifique. Basés sur la méthode de modélisation 3D de composants passifs, les modèles de condensateurs et de bobines sont présentés sous INCA3D.
Une étude sur l'influence de l'emplacement de la bobine par rapport au condensateur a été réalisée. Le bobinage des enroulements de la bobine ainsi que le sens du courant sont illustrés sur la figure III-64. Le modèle 3D de la bobine est réalisé en utilisant INCA3D avec les paramètres géométriques présentés dans le Tableau III-4.
La figure III-69 montre le paramètre S21 en fonction de la fréquence dans la configuration de couplage optimal (M=ESL) et de couplage nul (M=0). Le modèle de la bobine est placé parallèlement à celui du condensateur (Figure IV-35).
Procédure d’optimisation des placements des composants
Méthodes numériques
Modélisation 3D de la bobine
Modélisation 3D du condensateur
- Structure interne du condensateur film métallisé
- Rayonnement d’un condensateur
- modèle 3D simplifié du condensateur
- Modèle Multicouches
- Modèle à volume unique
Modélisation 3D du couplage inter-composants
- Introduction
- Extraction de l’inductance mutuelle
- Formule Analytique
- Mesure directe de l’impédance de transfert et Curve-fitting
- Modélisation 3D du couplage « boucle-boucle »
- Dispositif de mesure
- Simulation de circuit électrique équivalent
6.3.2.1 Extraction de M à partir de la formule analytique
En utilisant la formule de Neumann, les interactions mutuelles entre les composants du fil peuvent être théoriquement calculées. Pour deux fils dans l'air (perméabilitéɊ), le calcul de l'inductance mutuelle est donné par l'équation (III-15) avec la longueur du fil (l) et la distance entre les fils (d). En additionnant toutes les inductances mutuelles qui se produisent entre les deux fils, on obtient l'inductance mutuelle totale des deux boucles.
Cette méthode peut être utilisée pour avoir une première idée de la valeur de l'inductance mutuelle entre les deux boucles.
6.3.2.2 Extraction de M à partir de la mesure (Curve-fitting)
99 Il est important de souligner que le sens du flux affecte le signe de la réciproque (positif ou négatif). La figure III-32 présente les paramètres S (S11 et S21) mesurés et optimisés pour une distance de 5 mm entre les deux boucles. Les valeurs de l'inductance mutuelle M et de la capacité de couplage C0 sont respectivement égales à 6,82 nH et 0,17pF.
6.3.2.3 Extraction de M à partir de la mesure de Z21
- Validation des méthodes pour l’extraction de l’inductance mutuelle M
- Simulation 3D
- Validation du modèle équivalent
- Modélisation 3D du couplage « boucle-condensateur »
- Dispositif de mesure
- Simulation du circuit électrique équivalent
- Simulation 3D
L'inductance mutuelle peut être déterminée directement à partir de la mesure de Z21, la relation entre Z21 et la mutuelle M est donnée par l'équation suivante. Nous constatons une bonne corrélation entre les trois méthodes, qui parviennent à déterminer les valeurs correctes de l'inductance mutuelle. En utilisant les méthodes présentées précédemment, nous pouvons extraire les valeurs de l'inductance mutuelle pour les différentes positions des boucles.
Pour déterminer le circuit électrique équivalent, les valeurs des paramètres électriques R, L et C de la boucle et du condensateur sont déterminées expérimentalement en caractérisant chaque composant séparément. Pour une distance "d" entre le condensateur et la boucle égale à 4,3 mm, l'inductance mutuelle (M) et la capacité de couplage (C0) sont égales respectivement à 1,97 nH et 0,27 pF. Les deux modèles ont permis de déterminer la bonne valeur de l'inductance parasite spécifiquement pour le condensateur.
6.4.3.1 Modèle multicouches
Pour obtenir un modèle plus représentatif du condensateur, nous avons dû utiliser un modèle multicouche. Pour trouver un équilibre raisonnable entre le temps de calcul et un modèle assez précis, nous avons testé deux modèles à 5 et 10 couches. Pour déterminer l'épaisseur de chaque couche et les espaces entre les couches, nous avons utilisé une méthode d'optimisation basée sur l'algorithme génétique (GA).
109 Figure III-43 : Modèle 3D de 5 et 10 couches du système « Boucle-condensateur » La Figure III-44 et la Figure III-45 montrent les paramètres de transmission S21 obtenus par modélisation et par mesure pour les trois positions étudiées (d = 5,3 mm, 1 mm et 9,8 mm). Nous pouvons conclure que notre modèle multicouche 3D ne peut prédire que l’inductance parasite du condensateur. En augmentant le nombre de couches, nous avons observé une amélioration de la prédiction de la réciprocité entre les composants.
6.4.3.2 Modèle 3D sous forme de volume équivalent
- Modélisation 3D du couplage « boucle-bobine avec ferrite »
- Dispositif de mesure
- Simulation du circuit électrique équivalent
- Simulation 3D
- Modélisation 3D et optimisation d’un filtre LC
- Outil d’optimisation du design d’un filtre
- Modélisation 3D d’un filtre LC optimisé
Les languettes des bornes du condensateur se trouvent du même côté que l'entrée de la boucle (Figure III-48 – pos1). De plus, le condensateur est déplacé horizontalement à mi-parcours de la boucle (Figure III-48 – pos3). Les modèles 3D et modèles de mesure pour ces trois positions sont présentés dans la Figure III-48.
Un modèle 3D de notre système boucle-bobine en ferrite est présenté à la figure III-54. Des modèles 3D et des modèles réduits pour ces deux positions sont présentés à la figure III-56. Le circuit électrique équivalent du filtre avec les paramètres électriques est illustré à la figure III-60.
7.1.2.1 Etude de la sensibilité des paramètres géométriques
121 estime que la géométrie de la boucle est imposée (X0, Y0, X1 et Y1), seule la distance entre les deux boucles "d" est optimisée. Les dimensions et le nombre de tours de la bobine seront optimisés en fonction de la valeur de la capacité parasite du condensateur pour obtenir de meilleures performances de filtrage. Les variations de l'inductance mutuelle en fonction du déplacement de la bobine dans les directions x, y et z ont été obtenues et comparées.
Dans la configuration de base, la bobine reste face au condensateur, et la distance (d0) entre elles est de 2 mm. Par rapport à la configuration optimale (M=30 nH), la perte d'insertion du filtre est simulée pour les exemples ci-dessous. Une erreur de déplacement de 1 mm dans la direction z peut réduire l'efficacité du filtre de 16 dB par rapport au cas optimal.
7.1.2.2 Modélisation du filtre optimisé
- Conclusion
Pour modéliser la géométrie de la bobine, qui permet de créer une inductance mutuelle M, qui compense l'inductance parasite (ESL=14,12 nH) du condensateur, il faut optimiser les paramètres géométriques (ο, Y et N). . La figure III-68 représente l'évolution de l'ESR de notre condensateur en fonction de la fréquence et de celle du modèle 3D. On voit que l'ESR varie bien en fonction de la fréquence avec apparition d'une résonance due à la seconde résonance du condensateur.
Pour étudier l'influence de l'ESR sur le comportement de notre filtre optimisé, nous avons inséré la valeur ESR mesurée en fonction de la fréquence dans le modèle électrique du filtre. En revanche, l'évolution de l'ESR en fonction de la fréquence est importante pour le filtre optimisé (M-ESL=0). Les résultats obtenus ont permis de valider le modèle 3D de la bobine en ferrite et de prédire les interactions intercomposants pour différentes positions.
APPLICATION
Introduction
136 L'organigramme de la figure IV-1 présente en détail toutes les étapes et précautions à suivre lors de l'optimisation d'un filtre. Nous avons constaté qu'une erreur de 20 % sur la perméabilité dans la modélisation de la ferrite peut entraîner une dégradation de 5 à 10 dB sur l'atténuation optimisée du filtre. En conclusion, la méthode d'optimisation du filtre par couplage direct entre composants est bien validée pour le filtre CEM « LC » formant le condensateur à film métallisé et la bobine.
155 Pour étudier l'influence de l'interaction entre les composants sur les performances CEM du moteur et de son filtre, nous avons ajouté un couplage inductif entre la bobine et le condensateur dans le modèle électrique. Les résultats expérimentaux ont montré l'importance de la technique et une amélioration des performances du filtre d'environ 30 dB en conservant les mêmes composantes. A la fin de la thèse, nous avons appliqué notre méthode à un filtre constitué d'un condensateur électrolytique et d'une bobine.
Procédure d’optimisation d’un filtre LC
- Étude du cahier des charges
- Modélisation 3D des composants
- Modélisation et optimisation du filtre
- Filtre optimisé
Cas pratique 1 : Filtre CEM d’un moteur à courant continu
- Présentation du dispositif
- Filtre CEM
- Mesure normative « CISPR25 »
- Étude de la faisabilité de la méthode
- Caractérisation des composants du filtre
- Simulation du filtre LC
- Modélisation 3D du filtre et Optimisation
- Modèle 3D du condensateur
- Modèle 3D de la bobine
- Modélisation et optimisation du filtre
- Mesure normative du moteur avec filtre optimisé
Cas pratique 2: Condensateur chimique avec une bobine bâtonnet
- Etude de la faisabilité de la méthode
- Modélisation 3D et Optimisation
Conclusion
Tout d’abord, une procédure d’optimisation pour un filtre CEM de type LC a été présentée. Dans un premier temps, nous nous sommes intéressés à établir les équations analytiques d'un filtre LC afin d'identifier clairement les effets des éléments parasites des composants sur les performances du filtre. Le premier modèle est constitué d’un nombre réduit de couches métallisées inspirées de la structure interne du condensateur à film.
Sur la base des modèles 3D des composants, une procédure concrète d'optimisation d'un filtre CEM de type LC a été présentée dans un premier temps. L'étape suivante s'est concentrée sur l'optimisation d'un véritable filtre CEM de type Γ intégré dans un moteur d'essuie-glace. 34; Développement d'un modèle piloté par dimensionnement d'un filtre CEM destiné à une application EV », dans 16e édition de la Conférence internationale sur la compatibilité électromagnétique (CEM 2012), Rouen, 2012.
180 Si la raie actuelle est suffisamment courte par rapport à la longueur d'onde et si le point d'observation est suffisamment éloigné de la source, l'intégration est approximée par la longueur de la raie avec Ie = constante = I0.