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É
Électronique de puissance
Enjeux et solutions innovantes d’un marché en plein essor
Polytech St Nazaire – 12 Juin 2014
CEM des convertisseurs de puissance
1
Séminaire Puissance – Saint-Nazaire
cyrille.gautier@satie.ens-cachan.fr
CEM d ti t ti
CEM des convertisseurs statiques
Plan de la présentation
• Introduction
• Les perturbations générées par les convertisseurs
• CEM de l’ensemble onduleur-machine
• Évolution des contraintes CEM liées aux commutation
• CEM des commandes rapprochées
• Filtrage et intégration
• Onduleur multicellulaire à ICT: faibles émissions conduites
• Efficacité du blindage (outils de simulation EM 3D)
• Conclusion
12 Juin 2014 2
Séminaire Puissance – Saint-Nazaire
E j lié à l C tibilité Él t éti
Enjeux liés à la Compatibilité Électromagnétique
• Respect des normes et des exigences de sécurité
– Le respect des normes CEM est obligatoire dans tous les pays et pour
tous les équipements électriques pour des raisons commerciales et
q p q p
pour des raisons de sécurité. (Aéronautique, Automobile, Santé, …)
• Compromis Volume/Poids et cout.
– 20 à 40% du cout de fabrication et du volume des convertisseurs de
puissance est imputable à la gestion de la CEM
– Les couts liés à la CEM sont minimisés lorsque les problématiques
CEM sont prises en compte très tôt durant les phases de conception.
L’intégration peut-être une bonne solution
12 Juin 2014 3
Séminaire Puissance – Saint-Nazaire
Niveau 1
Système complexe
Exemple: Modélisation CEM
Appliquée à l’Automobile
Modélisation de l’environnement
Niveau 2
Sous-système
Harnais de câbles
Low-voltage grid 14V,
HV grid, power train
Battery charge, …
Réduction de l’ordre
du modèle
Modélisation des interconnections
Niveau 3
Power train :
inverter, battery, cable, motor
Sous-système
Intégration d’un sous-système
Niveau N -> Niveau N-1
PCB
Niveau 4
Switching cells
DC-DC converters, inverter
Liens entre
modèles et outils
l i i l
Sous-système
Modélisation par
Sources équivalentes
Niveau 5
⇒ Besoin d’une
plate-forme d’échange
logiciels
Sous-système
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Séminaire Puissance – Saint-Nazaire
4 Magnetic components,
Power switches,……
Fréquence de propagation des perturbations en
Fréquence de propagation des perturbations en
électronique de puissance
Étages de puissance
Étages de puissance
Transitoires de
commutation
Redressement
Fréquences de découpage
commutation
Étages de commande
horloges, µcontroler, FPGA
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2 3 4 5 6 7 8
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Technologies des
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Modes de commutation,
topologie de la structure
Technologies des
interrupteurs :
- MOSFET/IGBT
- Si / SiC / GaN
Les perturbations émises par les convertisseurs
Les perturbations émises par les convertisseurs
p p
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de puissance s’étendent sur 7 décades
de puissance s’étendent sur 7 décades
La gestion de la CEM doit prendre en compte les aspects « large bande »
dans les techniques de modélisation, les structures, les matériaux et les commandes
12 Juin 2014 5
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q , ,
L’utilisation de composants commutant très rapidement étend le domaine
des perturbations jusqu’au GHz. Utilisation de méthodes issues des hyper-fréqences
S d b it él t i d i
Exemple d’un hacheur avec RSIL
Sources de bruit en électronique de puissance
Champ E
- Maille (zone hachurée) Ie subit des
variations très rapides à haute fréquence
Antenne
d
Champ Ep
variations très rapides à haute fréquence
⇒ Boucle = dipôle rayonnant magnétique
- Conducteurs subissant de fortes variations
Ie
Ip
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Ce
R
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RSIL VRSIL
de tension (Vk): dipôle rayonnant électrique +
transmission à la terre de courants
impulsionnels Imc via Cp
Vk
Ce
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RSIL VRSIL
- Condensateur de découplage Ce
(imperfections : résistance et inductance
série lp), n’empêche pas la propagation sur le
Vk
Ie
p), p p p p g
réseau d’alimentation d’un courant parasite
impulsionnel Ip.
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τv τi
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  • 1. É Électronique de puissance Enjeux et solutions innovantes d’un marché en plein essor Polytech St Nazaire – 12 Juin 2014 CEM des convertisseurs de puissance 1 Séminaire Puissance – Saint-Nazaire cyrille.gautier@satie.ens-cachan.fr
  • 2. CEM d ti t ti CEM des convertisseurs statiques Plan de la présentation • Introduction • Les perturbations générées par les convertisseurs • CEM de l’ensemble onduleur-machine • Évolution des contraintes CEM liées aux commutation • CEM des commandes rapprochées • Filtrage et intégration • Onduleur multicellulaire à ICT: faibles émissions conduites • Efficacité du blindage (outils de simulation EM 3D) • Conclusion 12 Juin 2014 2 Séminaire Puissance – Saint-Nazaire
  • 3. E j lié à l C tibilité Él t éti Enjeux liés à la Compatibilité Électromagnétique • Respect des normes et des exigences de sécurité – Le respect des normes CEM est obligatoire dans tous les pays et pour tous les équipements électriques pour des raisons commerciales et q p q p pour des raisons de sécurité. (Aéronautique, Automobile, Santé, …) • Compromis Volume/Poids et cout. – 20 à 40% du cout de fabrication et du volume des convertisseurs de puissance est imputable à la gestion de la CEM – Les couts liés à la CEM sont minimisés lorsque les problématiques CEM sont prises en compte très tôt durant les phases de conception. L’intégration peut-être une bonne solution 12 Juin 2014 3 Séminaire Puissance – Saint-Nazaire
  • 4. Niveau 1 Système complexe Exemple: Modélisation CEM Appliquée à l’Automobile Modélisation de l’environnement Niveau 2 Sous-système Harnais de câbles Low-voltage grid 14V, HV grid, power train Battery charge, … Réduction de l’ordre du modèle Modélisation des interconnections Niveau 3 Power train : inverter, battery, cable, motor Sous-système Intégration d’un sous-système Niveau N -> Niveau N-1 PCB Niveau 4 Switching cells DC-DC converters, inverter Liens entre modèles et outils l i i l Sous-système Modélisation par Sources équivalentes Niveau 5 ⇒ Besoin d’une plate-forme d’échange logiciels Sous-système 12 Juin 2014 4 Séminaire Puissance – Saint-Nazaire 4 Magnetic components, Power switches,……
  • 5. Fréquence de propagation des perturbations en Fréquence de propagation des perturbations en électronique de puissance Étages de puissance Étages de puissance Transitoires de commutation Redressement Fréquences de découpage commutation Étages de commande horloges, µcontroler, FPGA 10 2 3 4 5 6 7 8 10 10 10 10 10 10 10 9 10 F (Hz) 10 2 3 4 5 6 7 8 10 10 10 10 10 10 10 9 10 F (Hz) Technologies des 10 10 10 Modes de commutation, topologie de la structure Technologies des interrupteurs : - MOSFET/IGBT - Si / SiC / GaN Les perturbations émises par les convertisseurs Les perturbations émises par les convertisseurs p p p p de puissance s’étendent sur 7 décades de puissance s’étendent sur 7 décades La gestion de la CEM doit prendre en compte les aspects « large bande » dans les techniques de modélisation, les structures, les matériaux et les commandes 12 Juin 2014 5 Séminaire Puissance – Saint-Nazaire q , , L’utilisation de composants commutant très rapidement étend le domaine des perturbations jusqu’au GHz. Utilisation de méthodes issues des hyper-fréqences
  • 6. S d b it él t i d i Exemple d’un hacheur avec RSIL Sources de bruit en électronique de puissance Champ E - Maille (zone hachurée) Ie subit des variations très rapides à haute fréquence Antenne d Champ Ep variations très rapides à haute fréquence ⇒ Boucle = dipôle rayonnant magnétique - Conducteurs subissant de fortes variations Ie Ip L Ce R lp RSIL VRSIL de tension (Vk): dipôle rayonnant électrique + transmission à la terre de courants impulsionnels Imc via Cp Vk Ce Cp Imc RSIL VRSIL - Condensateur de découplage Ce (imperfections : résistance et inductance série lp), n’empêche pas la propagation sur le Vk Ie p), p p p p g réseau d’alimentation d’un courant parasite impulsionnel Ip. t τv τi Ip 12 Juin 2014 6 Séminaire Puissance – Saint-Nazaire t Imc
  • 7. Mé i d t b ti Mécanismes de perturbation Approche simplifiée sur une cellule de commutation Vk Ce Ie RSIL Ro Vrsil Ie Io E Imc Ro c- c+ cmc Vk Ik Ce Vmc Ce Ie Zm Imc c c+ Modélisation de la cellule de commutation par générateur équivalent • Les sources : grandeurs variables du convertisseur – tension d'interrupteurs : Vk • Les couplages à l'environnement sont définis par des fonctions de couplage – en mode conduit C(ω, circuit) – courant absorbé : Ie • Représentation par des sources équivalentes ( , ) – en mode rayonné R(ω, espace) V j I C j circuit V C j circuit rsil e k ( ) ( , ) ( , ) ω ω ω = ⋅ + ⋅ 1 2 12 Juin 2014 7 Séminaire Puissance – Saint-Nazaire
  • 8. P blé ti CEM él t i d i Modèle des perturbations conduites Modèle des perturbations conduites Problématiques CEM en électronique de puissance LISN/ RSIL Charge Convertisseur de puissance Filtre CEM Main RSIL de puissance CEM Ground ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) n m V F S C circuit S C circuit ω ω ω ω ω ω ⎛ ⎞ = + ⎜ ⎟ ∑ ∑ 2 1 1 ( ) ( ) ( ) ( , ) ( ) ( , ) j p lisn DM j CM j p V F S C circuit S C circuit ω ω ω ω ω ω = = = ⋅ ⋅ + ⋅ ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ ∑ ∑ Le niveau de perturbations émises dépend de: ‰ CM t DM é é é l i t (i t t ) ‰ CM et DM générés par les sources internes (interrupteurs), ‰ CM et DM couplés evec l’environnement électrique (capacités parasites, inductances de fuite, etc.., ‰ Atténuation du filtre CEM (mode commun (CM) et mode différentiel (DM)). 12 Juin 2014 8 Séminaire Puissance – Saint-Nazaire ‰ Atténuation du filtre CEM (mode commun (CM) et mode différentiel (DM)). Tout ou partie des ces éléments doivent être traités pour la gestion de la CEM
  • 9. O i i d t b ti Origines des perturbations Différents étages de découpage, effets de modulation 100 120 amplitude des harmoniques en dBµV d • Exemple : alimentation à découpage 60 80 avec redresseur p p g • Modulation de la composante HF par le 20 40 composante HF par le redresseur, spectre modulé • Apparition de raies BF, h i é 12 Juin 2014 9 Séminaire Puissance – Saint-Nazaire 10 1 10 2 10 3 10 4 10 5 0 sans redresseur Fréquences (Hz) harmoniques réseau
  • 10. C t t CEM d’ hi él t i Comportement CEM d’une machine électrique Isolation de l'accouplement M C C (charge) M achi ne asynchro ne C âb l age p u i ssance d e sorti e C ondu cteu rs stato ri qu es acco upl em ent p à la MCC ( g ) V ari ateu r R SIL Isolation du roulement et du stator Plan d e m asse co nd uc teu r (su rf ac e 2 m ²) Su pp o rt iso l ant (PV C ) D i spo siti f de co ntrô le T ransf o 5 k V A E AC M t V) R éseau tri phasé 40 0 V Zcm AC Motor Zph Zt 50 0 50 100 150 200 Common mode voltage (V Zcm dissipator Cp Icm Icm Icm mot Zt Icm -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 x 10 -5 -50 time (s) 0 5 Current (A) 12 Juin 2014 10 Séminaire Puissance – Saint-Nazaire Ground Vct Vbt Vat Icm cable inv -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 x 10 -5 -5 C time (s)
  • 11. A i t d b it Él t éti Accroissement du bruit Électromagnétique • Technologies des composants: g p – Miniaturisation des convertisseurs => augmentation des fréquences (DC DC 50 kH à 500 kH 10 t ll t MH ) (DC-DC : 50 kHz à 500 kHz en 10 ans … actuellement qq MHz) – Diminution des temps de commutation => diminution des pertes > diminution des pertes => miniaturisation • Maîtrise des procédés de fabrication (motifs …), • Structures innovantes (COOLMOS, IGBT Trench …), • Nouveaux matériaux (SiC, GaN) – Augmentation des contraintes de CEM – Augmentation des contraintes de CEM • Augmentation des dV/dt • Augmentation des dI/dt 12 Juin 2014 11 Séminaire Puissance – Saint-Nazaire • Drivers
  • 12. A i t d b it Él t éti Accroissement du bruit Électromagnétique Performances des interrupteurs Année 1970 1980 1985 1990 2000 2000 2003 2005 2005 2010 2012 Techno Si Si Si Si Si Si Si Si SiC SiC GaN Interrupteur Thyristors, diodes PIN GTO T bip. diodes MOSFET IGBT COOL MOS IGBT réseau 400V Trench MOS IGBT Traction Diodes Schottky JFET IGBT GanFET rapides 400V calibres 3 KV 3 KA 3kV 3kA 100A 50A 1000V 100 A 100 V 50 A 600 V 100A 1,2kV 50A 25V 100 A 6 kV 100 A 600 V 10 A 1200 V 10 A 200 V 3 KA 100A 1kV 100 V 600 V , 25V 6 kV 1200 V 200 V Fréquence 100 Hz 300Hz qqes kH qques 100kHz qq kHz qques 100kHz 10-100 kHz 1 MHz qq kHz qq 100 kHz 10-100 kHz 10 MHz qques GH kHz GHz dV/dt (V/µs) dI/dt (A/µs) 1kV/µs 100A/µs 10kV/µs qques 100kA/µs qques 10kV/µs qques kA/µs qques 10kV/µs qques kA/µs qques 10kV/µs qques kA/µs qques 10kV/µs qques kA/µs qques 10kV/µs qques kA/µs qques 100kV/µs qques 10kA/µs qques 100kV/µs qques 10kA/µs qques 100kV/µs qques 10kA/µs 12 Juin 2014 12 Séminaire Puissance – Saint-Nazaire µ kA/µs kA/µs kA/µs kA/µs kA/µs 10kA/µs 10kA/µs 10kA/µs
  • 13. E l t ti d t GAN Exemple : commutation des composants GAN Mesures Sur RSIL GaNFET Sur RSIL (DO160) GaNFET EPC 2010 12 Juin 2014 13 Séminaire Puissance – Saint-Nazaire Augmentation des niveaux émis aux fréquences élevées
  • 14. C l itif d l d hé Couplages capacitifs dans la commande rapprochée Structures possibles Couplage et modes de perturbation L d hé t élé t La commande rapprochée est un élément sensible : -à l’interface puissance/commande - doit être extrêmement fiable Couplages : -par impédance de mode commun dû au 12 Juin 2014 14 Séminaire Puissance – Saint-Nazaire courant de mode commun, -par mutuelle inductance (diaphonie)
  • 15. C l itif t f t d’i l i Couplages capacitifs: transformateur d’impulsions Origine des couplages capacitifs : - effets électrostatiques inter-enroulements h él d - charge électrostatique du circuit magnétique Réduction du couplage capacitif : - écran électrostatique - circuit magnétique très impédant/entrefer 12 Juin 2014 15 Séminaire Puissance – Saint-Nazaire circuit magnétique très impédant/entrefer
  • 16. S ibilité d t Sensibilité des composants lp=40 à 120nH +Vcc=15V Paramètres réglables dV/dt li é commande rapprochée Rb' Rc Ce=0.68µF p connexions de couplage Vt -dV/dt appliqué - Capacité de couplage - Inductance parasite de câblage Rb lp=40 à 120nH C l 15pF Vp Vt Le couplage par impédance commune dans l’inductance parasite de câblage lp provoque un changement d’état parasite p Ccouplage=15pF E Cmc=220nF dV/dt variable : 2 à 20kV/µs du transistor Circuit de test 12 Juin 2014 16 Séminaire Puissance – Saint-Nazaire
  • 17. I f ti d filt Imperfections du filtrage Influence de la variation des propriétés magnétiques de 0 à 30MHz Influence de la capacité parasite répartie Influence de la variation de la résistance avec la fréquence (effet de peau/proximité) Influence de la connectique/câblage Influence de la résistance et de l ’inductance série des condensateurs 100 120 Atténuation (dBμV) 40 60 80 Conséquences : dégradation de l ’atténuation non contrôlée 12 Juin 2014 17 Séminaire Puissance – Saint-Nazaire 10 4 10 5 10 6 10 7 10 8 20 Fréquence (Hz)
  • 18. I té ti d’ filt CEM h b id 1 Intégration d’un filtre CEM hybride -1- Réduction de la taille d’un filtre CEM pour un Réduction de la taille d’un filtre CEM pour un convertisseur convertisseur avionic avionic DC DC- -DC basse tension DC basse tension PhD M. Ali 2011, FRAE Deux idées maitresses : - Utilisation d’un filtre actif pour la partie BF: remplacer les «gros» composants passifs - Intégration de la partie passive dans le PCB ( Gain de place en zone de routage ) ZMD Z LMD /2 R C Active Filtrer Passive Filtrer UMD ZRSIL1 AOP R2 R1 R1 C C ZRSIL2 LInjection R2 BUF CMD RL Filtrer Out1 Out2 In1 In2 Groundplane Cply(CDM) LMD /2 Filtre actif : top layer PCB Coupledinductors Cply(CCM) PCB 12 Juin 2014 18 Séminaire Puissance – Saint-Nazaire Filtre passif multi-couches Groundplane
  • 19. I té ti d’ filt CEM h b id 2 Intégration d’un filtre CEM hybride -2- i1 2ZMC I1 ZL Convertisseur RSIL PhD M. Ali 2011, FRAE v1 v i2 VMC ZMD 2Z IMD ZRS IL ZRS IL I2 IMC IMC ZL v2 C M Filter C M C onverter model LIS N GND 2ZMC I2 GND ZL 1ère étape: Modélisation boite noire du convertisseur 2nde ét C ti d filt ( t t ) t LC M 15nH 0.5Ω C M Filter C M C onverter model LIS N 20nF 0.4nF IC M 200nF 20.8µF 2.5µH 2nde étape: : Conception du filtre (structure) et dimensionnement avec contraintes technologiques (Intégration PCB) 0 25Ω DM Filter DM C onverter model LIS N 20 40 60 80 A CM and DM current 10µH LDM 25nF 60nH 2Ω 2Ω 15µF 0.3Ω 50nF 5.2µF IDM -60 -40 -20 0 dBµA ICM (LISN) IDM (LISN) Maximum Level (DO160F) 12 Juin 2014 19 Séminaire Puissance – Saint-Nazaire 80nH 0.1nF 100Ω 10 5 10 6 10 7 60 Frequency [Hz]
  • 20. I té ti d’ filt CEM h b id 3 Intégration d’un filtre CEM hybride -3- 80 Spectres de courants dans les RSIL après un filtrage hybride IMC IMD 3ème étape: développement du PCB Procédé d’intégration : PhD M. Ali 2011, FRAE 0 20 40 60 dBµA IMD DO160F I(rsil1) I(rsil2) - Choix des matériaux adaptés, - Optimisation des dimensions 10 5 10 6 10 7 -80 -60 -40 -20 Fréquence (Hz) Out 1 Out 2 LInjection Active filter e=3.4 mm 9Diminution du volume de passifs 55% 9 Réduction du volume global du filtre 75% Bénéfices par rapport au filtre initial : 9 Réduction du volume global du filtre 75% 9 Réduction de la masse totale du filtre 53% 9 Maitrise précise des éléments parasites 9 Diminution du rayonnement en champ proche ; Blindage plans de cuivre / couches magnétiques In 1 In 2 GND 12 Juin 2014 20 Séminaire Puissance – Saint-Nazaire y p p g p g q 9 Augmentation de la robustesse et de la fiabilité 9 Zones de routage disponibles pour implanter d’autre fonctions
  • 21. O d l à f ibl é i i d it 1 Onduleur à faibles émissions conduites -1- Onduleur multicellulaire couplé par ICT e AC Machine Thèse F. Adam 2010 DC Source Structure parallèle multi-niveaux avec transformateurs inter-cellule (ICT) Spectre de la tension Vs (CM) Réduction des courants CM du Réduction des courants CM du 12 Juin 2014 21 Séminaire Puissance – Saint-Nazaire Réduction des courants CM du Réduction des courants CM du fait de la structure entrelacée et fait de la structure entrelacée et du filtrage apporté par les du filtrage apporté par les ICTs ICTs
  • 22. O d l à f ibl é i i d it 2 Onduleur à faibles émissions conduites -2- Thèse F. Adam 2010 7 levels output voltage ‰ Haute efficacité ‰ Optimisation CEM pour les long cables; applications: ‰controle des surtensions ‰controle des surtensions, ‰ reduction des courants de mode commun (MC) ‰ Amelioration de la CEM (stratégie de commande, ICT) 7 levels quantified output voltage Common mode current 12 Juin 2014 22 Séminaire Puissance – Saint-Nazaire ⇒ Intégration
  • 23. Si l ti d l’ ffi ité d bli d Simulation de l’efficacité de blindage 2 maillage de la structure 1 Blindage du système 2- maillage de la structure 3- Antenne 1- Blindage du système 3- Antenne d’émission 12 Juin 2014 23 Séminaire Puissance – Saint-Nazaire Densité des courants de surface 4- Champ E rayonné (axe Y), F=100kHz
  • 24. CEM d ti t ti CEM des convertisseurs statiques Conclusion • Interactions CEM en électronique de puissance • Les perturbations générées par les commutations Les perturbations générées par les commutations • Les commandes rapprochées • Le filtrage Le filtrage • Dimensionnement, Efficacité, Volume, Masse • Le blindage Le blindage • Limiter le rayonnement, Masse • La CEM des systèmes La CEM des systèmes • Modélisation des convertisseurs (Sources MC, MD) • Les couplages (ES EM) et le câblage • Les couplages (ES, EM) et le câblage 12 Juin 2014 24 Séminaire Puissance – Saint-Nazaire