Compatibilité électromagnétique



                                    Orosan Andreea Carmen
                             ...
Deux modes de commutation
       Pour en comprendre les raisons et les remèdes possibles, examinons brièvement le
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En d'autres termes, tout en réglant le problème de la CEM, la commutation douce, réalisée
sans précaution particulière, dé...
de conversion, le rendement d'une variante à plusieurs sorties ne doit pas être comparé à
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Cem Orosan

  1. 1. Compatibilité électromagnétique Orosan Andreea Carmen groupe 1231 F Comment concilier haut rendement et compatibilité électromagnétique Les ingénieurs recherchent des d'alimentations électriques qui soient petites et performantes tout en garantissant une excellente compatibilité électromagnétique. Jusqu'à une époque récente, ces exigences étaient très difficiles à concilier, mais de nouvelles avancées de la technologie du découpage apportent une solution complète à cette gageure. Ces dernières années, les alimentations à découpage ont presque totalement supplanté les dispositifs série traditionnels. Il ne faut pas en chercher les raisons bien loin : à caractéristiques constantes, les variantes à découpage sont beaucoup plus petites et légères que leurs alter ego série, et elles sont aussi beaucoup moins chères à fabriquer. Les modèles à découpage ont certes beaucoup d'atouts, mais ils présentent un défaut potentiel. Du fait de leur mode de fonctionnement, ils peuvent générer des parasites radioélectriques (RFI). Autrement dit, leur CEM risque d'être médiocre.
  2. 2. Deux modes de commutation Pour en comprendre les raisons et les remèdes possibles, examinons brièvement le fonctionnement des alimentations à découpage. Le principe n'est pas très compliqué. Elles prélèvent du courant sur le secteur, puis le redressent et le lissent pour produire une haute tension continue, typiquement de 380 V dans le cas d'un dispositif à correction du facteur de puissance. Cette source continue est appliquée à un étage onduleur qui la reconvertit en courant alternatif, mais à une fréquence nettement supérieure à celle du secteur : sa valeur se situe d'ordinaire dans la fourchette de 50 à 300 kHz. On applique ensuite ce courant haute fréquence à un transformateur qui, en raison de la fréquence élevée, peut être petit, léger et peu coûteux. Enfin, la tension au secondaire du transformateur est redressée pour fournir la sortie de l'alimentation proprement dite. Bien sûr, une alimentation électrique possède d'autres aspects. En particulier, une forme de contre-réaction de la sortie vers l'étage onduleur assure que la tension de sortie reste constante lorsque les conditions opératoires varient. Mais les grandes lignes qui viennent d'être décrites suffisent à illustrer le compromis potentiel entre rendement et compatibilité électromagnétique. Sous l'angle de la CEM, l'élément clé de l'alimentation est l'étage onduleur qui convertit le courant continu en courant alternatif, au moyen de semiconducteurs travaillant à des niveaux de puissance relativement importants. Or ceux-ci, habituellement des Mosfet, fonctionnent en commutateurs rapides et placent les concepteurs d'alimentations devant un dilemme. S'ils s'arrangent pour que les Mosfet basculent très rapidement de l'état conducteur à l'état bloqué et vice versa (commutation dure), les pertes de puissance y sont limitées puisque ces transistors passent le plus clair de leur temps soit à l'état saturé, avec une faible chute de tension aux bornes, soit entièrement bloqué, le courant les traversant étant très faible. Malheureusement, une commutation rapide engendre inévitablement des harmoniques de niveau élevé, c'est-à-dire une piètre CEM. Une solution consiste à garder la commutation rapide et à bloquer les harmoniques en ajoutant à l'alimentation un blindage et des filtres. Quoique efficaces, ces dispositions augmentent la taille, le poids et le coût des alimentations et limitent ainsi les atouts des modèles à découpage. Alors pourquoi ne pas ralentir les transitions bloqué-saturé dans les Mosfet ? Ce mode de commutation dite douce est assurément efficace pour réduire la production d'harmoniques, mais il crée un autre problème. Avec des transitions beaucoup plus longues, les Mosfet passent plus de temps dans un état ni totalement saturé, ni totalement bloqué. Durant ce temps, ils supportent à la fois une tension à leurs bornes et une circulation de courant. Comme la puissance est égale au produit de la tension par l'intensité, celle-ci est importante et ils dissipent de la chaleur.
  3. 3. En d'autres termes, tout en réglant le problème de la CEM, la commutation douce, réalisée sans précaution particulière, dégrade nettement le rendement de l'alimentation. Non seulement il y a un gaspillage d'énergie, mais l'alimentation chauffe aussi plus que nécessaire. C'est un problème dans les applications d'aujourd'hui dont la compacité fait de la gestion thermique un enjeu important. Concilier le meilleur des deux modes On a donc besoin d'alimentations qui combinent le rendement de la commutation dure et la CEM de la commutation douce. Lambda a mis au point un procédé pour y parvenir et a breveté sa solution sous le nom de topologie à résonance multiple (MRT). L'idée maîtresse de la MRT est de faire en sorte que les Mosfet commutent seulement quand la tension à leurs bornes est proche de zéro. Pour cela, il faut tout d'abord configurer le fonctionnement de l'onduleur de telle sorte que le courant ne soit jamais interrompu dans le circuit primaire du transformateur. Cela peut se faire, par exemple, au moyen d'une commande à fréquence variable destinée à produire une onde primaire en forme de sinusoïde distordue, dont l'intensité est en retard de phase sur la tension (figure 1). Dans ces conditions, l'ajout d'un petit condensateur en parallèle sur chaque Mosfet lui donne le temps de passer à l'état bloqué pratiquement sans aucune tension à ses bornes (figures 2 et 3). Comme il n'y a pas de tension aux bornes du Mosfet quand il commute, les pertes sont faibles et comme la commutation s'effectue en douceur, le changement de tension étant progressif, la production d'harmoniques est atténuée. En prime, la commutation à tension nulle réduit aussi les contraintes de surtension s'exerçant sur les Mosfet. Examiner le détail des spécifications selon la charge A ce stade, une petite mise en garde s'impose. Pour que ce montage fonctionne correctement, la charge présentée à l'onduleur doit toujours être inductive. Sinon, il repassera en mode de commutation dure et devra, en plus, charger et décharger les condensateurs ajoutés aux bornes des commutateurs, ce qui augmentera encore les pertes de commutation. On peut assez facilement s'arranger pour que l'onduleur voie une charge inductive lorsque l'alimentation fonctionne près de sa charge maximale, mais c'est plus difficile lorsqu'elle est peu chargée. C'est ce qui explique que certaines alimentations du marché affichent, sur le plan du rendement et de la CEM, d'excellentes performances à pleine charge, mais que leur compatibilité électromagnétique devienne très médiocre à moindre charge. C'est un point auquel il convient d'être attentif quand on établit les spécifications d'alimentations, car les failles de ce genre ne sautent pas toujours aux yeux à la lecture d'une fiche technique. A titre d'exemple, l'emploi de la technologie MRT dans la série d'alimentations NV175 de Lambda procure une amélioration du rendement de 11 % par rapport à la précédente génération de produits. Variable selon la configuration des sorties, le rendement global est de 83 à 85 % pour un modèle à quatre sorties. A noter que, du fait de la multiplication des étages
  4. 4. de conversion, le rendement d'une variante à plusieurs sorties ne doit pas être comparé à celui d'un modèle à une seule sortie, qui atteint 90 %. Côté émissions, un tel module est compatible avec la norme EN55022. En matière d'alimentations à découpage, il a longtemps fallu faire un choix entre rendement et CEM. Désormais, ce compromis n'est plus de mise. Les récents progrès de la technologie apportent à l'utilisateur le meilleur des deux solutions : des dispositifs petits, légers, produisant peu de chaleur en service et garantissant une compatibilité électromagnétique telle qu'elle rende les filtres externes superflus, même dans les applications sensibles.

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