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1 - CEM DES CONVERTISSEURS STATIQUES

2 - GÉNÉRATION DES PERTURBATIONS DANS LES CONVERTISSEURS STATIQUES

3 - PROPAGATION DES PERTURBATIONS DANS UN SYSTÈME DE CONVERSION STATIQUE

4 - EFFETS DES PERTURBATIONS ÉLECTROMAGNÉTIQUES DANS LES CONVERTISSEURS STATIQUES

Article de référence | Réf : D3290 v2

CEM des convertisseurs statiques
CEM en électronique de puissance - Sources de perturbations, couplages, SEM

Auteur(s) : François COSTA, Gérard ROJAT

Date de publication : 10 août 1999

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Auteur(s)

  • François COSTA : Agrégé de Génie électrique - Docteur ès Sciences physiques de l’Université d’Orsay Paris-Sud - Maître de conférences à l’École normale supérieure de Cachan

  • Gérard ROJAT : Docteur de troisième cycle de l’Université Paul Sabatier (Toulouse) - Docteur d’État ès Sciences physiques de l’Université Claude Bernard (Lyon) - Professeur à l’Université Lyon 1

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INTRODUCTION

Le principe de la compatibilité électromagnétique (CEM) consiste à permettre le fonctionnement correct et optimal de tout dispositif électrique en présence d’autres, chacun étant en fonctionnement nominal. Autrement dit, c’est le droit pour chacun de « vivre » sans « gêner » son voisin. De cette définition découlent trois pôles d’intérêt : l’étude des sources de perturbations, l’étude des couplages et, enfin, l’étude de l’impact des perturbations sur une « victime », domaine de la susceptibilité électromagnétique (SEM). Dans cet article, nous appliquons cette problématique au domaine de l’électronique de puissance. L’article CEM en électronique de puissance- Réduction des perturbations, simulation sera consacré aux méthodes de réduction et à la simulation.

Le fonctionnement d’un convertisseur statique est intrinsèquement polluant, les grandeurs électriques étant fortement variables, sur des durées très courtes (1 µs à 10 ns), avec de fortes amplitudes (de l’ordre du kilovolt et du kiloampère) et des fréquences pouvant être élevées (100 Hz à 1 MHz). Plus que leur amplitude, ce sont surtout les dérivées de ces grandeurs qui sont à l’origine des perturbations électromagnétiques. En effet, tous les phénomènes de couplage s’opèrent proportionnellement à la dérivée d’une grandeur électrique.

Si l’on observe les perturbations électromagnétiques émises par un convertisseur statique sur une échelle de fréquence, comme il est représenté ci-après, on constate qu’elles s’échelonnent sur 7 décades. En effet, chaque étage de conversion contribue à perturber sur une plage fréquentielle dépendant de sa fréquence de commutation, le redresseur d’entrée jusqu’à quelques 10 kHz, l’étage à commutation HF jusqu’à quelques mégahertz et les phénomènes liés aux transitions de commutation (résonances, excitation des modes propres) jusqu’à quelques dizaines de mégahertz.

Par ailleurs, la diffusion des convertisseurs statiques dans les équipements « grand public » multiplie les sources de pollution. Le problème de la CEM en électronique de puissance va donc consister, en agissant sur les caractéristiques temporelles des signaux, à limiter leur étendue spectrale ou à tenter de confiner dans le convertisseur tous les effets parasites indésirables.

Les travaux qui sont présentés dans cet article reflètent un double souci : la compréhension et l’analyse des phénomènes parasites, afin de mieux les contrôler et réduire leurs effets néfastes, mais également la recherche de solutions et de règles de conception applicables industriellement, dans la perspective très contraignante des normes CEM auxquelles doivent satisfaire tous les appareils électriques dans la CEE (Communauté économique européenne) depuis le 1er janvier 1996.

Le propos de cet article se situe dans le domaine de la conversion statique ; aussi, les critères de rendement constituent évidemment un impératif incontournable. Toutefois, nous avons voulu montrer que cet impératif doit être complété par le souci de conversion d’énergie « propre » qui élargit le concept de qualité de conversion.

Le domaine considéré concerne les convertisseurs à haute fréquence (gamme 10 kHz-1 MHz), de moyenne puissance (< 10 kW) isolés ou non. Cette catégorie se situe dans un large domaine d’applications à forts niveaux de perturbations, compte tenu de la très faible durée des commutations en tensions et courants d’amplitudes élevées (quelques 100 A, 1 000 V). La gamme fréquentielle d’étude s’étend de la dizaine de kilohertz à la centaine de mégahertz pour les phéno-mènes conduits et rayonnés. Les concepts résultant des analyses proposées sont transposables à d’autres catégories de convertisseurs.

Nous avons écarté de cette présentation le domaine des basses fréquences (harmoniques réseau, effet Flicker).

Les travaux sur la CEM en électronique de puissance ont débuté au milieu des années 1980. Les mondes industriels et universitaires se montraient préoccupés par le problème des perturbations, car les performances de commutation des composants s’étaient considérablement accrues [émergence de l’IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), large diffusion du MOSFET (Metal Oxide Silicon Field Effect Transistor)], de même pour les fréquences de commutation et que les niveaux de pollution électromagnétique. Par ailleurs, on assistait à une diffusion rapide et diversifiée des équipements intégrant de l’électronique de puissance, tant dans le domaine professionnel et militaire (variation de vitesse, chauffage, contrôle de l’énergie) que « grand public » (domotique, automobile, ordinateurs, etc.). Par conséquent, les normes d’émissivité ont été rendues progressivement plus sévères. Ces deux contraintes ont amené les industriels à envisager ces aspects dès la conception de leurs équipements.

Dans un second temps, l’intérêt a semblé quelque peu s’émousser, car des solutions essentiellement basées sur un renforcement des fonctions de filtrage et de blindage ont été adoptées. Il est apparu plus simple de filtrer globalement que de concevoir selon des critères minimisant les perturbations électromagnétiques. Ce type de solution a toutefois dégradé la compacité et le coût des systèmes. Cependant, comme dans bien d’autres domaines, l’intérêt de pouvoir simuler le comportement d’un convertisseur en terme de CEM a toujours été très fort.

De nos jours, l’intérêt pour la CEM est à nouveau d’actualité. En effet, de nombreux convertisseurs commutent directement sur le réseau (absorbeur sinusoïdal, convertisseurs pour éclairage, etc.). Le respect des normes requiert alors des filtres plus complexes, donc volumineux et coûteux. La conception intégrant les critères CEM s’affirme d’autant plus nécessaire.

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DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v2-d3290


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1. CEM des convertisseurs statiques

L’électronique de puissance utilise les semi-conducteurs de puissance en mode interrupteur. Ce fonctionnement confère au convertisseur un rendement très élevé ; par contre, il donne lieu à de nombreuses perturbations électromagnétiques dues essentiellement aux commutations rapides des semi-conducteurs. Les perturbations se propagent vers la source d’alimentation du convertisseur et vers la charge qu’il alimente ; une partie plus infime de cette énergie est rayonnée. Pour mieux situer l’étude de la CEM en électronique de puissance, cet article rappelle les différents modes et types de propagation, puis les méthodes de mesure des perturbations [1].

1.1 Modes de propagation

Les signaux parasites émis par la source (dans un convertisseur statique, la ou les cellules de commutations) sont propagés vers la source d’énergie (ou vers la charge) qui est désignée par le terme de « victime », de plusieurs façons, liées à leur environnement respectif. Deux cas peuvent alors se présenter.

  • Si la source et la victime sont voisines avec ou sans liaison galvanique, le couplage est dit proche et il peut être de nature capacitive, inductive ou résistive. Les outils d’analyse font appel à des modèles de types réseau électrique où les couplages sont représentés par des capacités, des inductances mutuelles ou des résistances (dans le cas de liaisons galvaniques directes). Les phénomènes perturbateurs sont dans ce cas les variations rapides de courant ou de tension . Ces perturbations, appelées perturbations conduites, se développent dans les câbles ou conducteurs de liaisons aux réseaux, sources d’énergie ou charges.

  • Si la source et la victime sont éloignées et sans liaison galvanique, la perturbation est transmise par une onde électromagnétique, et l’on parle de perturbations rayonnées ou propagées....

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) -   *  -  Recommandations du Comité International Spécial des Perturbations Radioélectriques CISPR 16.

  • (2) -   *  -  Recommandations du Comité International Spécial des Perturbations Radioélectriques CISPR 11.

  • (3) -   *  -  Recommandations du Comité International Spécial des Perturbations Radioélectriques CISPR 20.

  • (4) - DEGAUQUE (P.), HAMELIN (J.) -   Compatibilité électromagnétique.  -  Dunod 1990.

  • (5) - LABOURÉ (E.), COSTA (F.), FOREST (F.) -   Current measurement in static converters and realization of a high frequency passive current probe (50 A-300 MHz).  -  Actes du congrès EPE93, Brighton sept. 1993, pp. 4/478-4/483.

  • (6) - BADOUAL (R.) -   Les Micro-ondes.  -  Masson, 1984.

  • ...

DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES

  • Antennes - Bases et principes.

  • Mesures de champ électromagnétique.

  • Mesure de champ électromagnétique à large bande.

  • Commutateurs de courant.

  • Condensateurs utilisés en électronique de puissance.

  • Réseaux électriques linéaires à constantes réparties.

  • ...

1 Thèse

* - http://www.sudoc.abes.fr

DULOUNG (C.) - Modélisation comportementale des perturbations électromagnétiques en électronique de puissance : signature CEM d'une cellule de commutation. - Université de droit, d'économie et des sciences (Aix-Marseille) (2001).

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2 Normalisation

NF EN 61000-4-1 - Avril 2001 - Compatibilité électromagnétique (CEM). Partie 4-1 : techniques d’essai et de mesure. Vue d’ensemble de la série CEI 61000-4. Indice de classement : C 91-004-1. - -

NF EN 61000-4-8 - Mai 2001 - Compatibilité électromagnétique (CEM). Partie 4 : technique d’essai et de mesure. Section 8 : essai d’immunité au champ magnétique à la fréquence du réseau. Publication fondamentale en CEM. Indice de classement : C 91-004-8. - -

NF EN 61000-4-9 - Mai 2001 - Compatibilité électromagnétique (CEM); Partie 4 : techniques d’essai et de mesure. Section 9 : essai d’immunité au champ magnétique impulsionnel. Publication fondamentale en CEM. Indice de classement : C 91-004-9. - -

NF EN 61000-4-10 - Mai 2001 - Compatibilité électromagnétique (CEM). Partie 4 : techniques d’essai et de mesure. Section 10 : essai d’immunité au champ magnétique oscillatoire amorti. Publication fondamentale en CEM. Indice de classement : C 91-004-10. - -

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