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CEGELY
CEM en Électronique de PuissanceCEM 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
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CEGELY
Pourquoi de la CEM en EdP ?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 »
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CEGELY
Pas que des mesuresPas 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 ?Intérêt de la modélisation numérique appliquée à la CEM ?
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CEGELY
Apport de la modélisationApport 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)
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CEGELY
• 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 CEMLa modélisation numérique appliquée à la CEM
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CEGELY
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 matériauxprise en compte des câbles, pistes, boîtiers,
blindages … prise en compte de circuits électriques complexes
prise en compte des CL …
Codes de calculCodes de calcul
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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
MesuréCalculé
MesuréCalculé
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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
v2 vs
i2
v1
U K1
K2D2
D1 D3
D
L
vL
iLi1
t
t
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CEGELY
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)
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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 exemplesQuelques exemples
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CEM des lignes et réseauxcouplage temporel perturbation - ligne: Azrak (84), Pardo (87), Seltner (92)caractérisation de la foudre,
propagation: Rathoin (93), Ben Rhouma (96)
CEM de l'électronique de puissanceétude 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)
identification,caractérisation
Modélisation numérique,
calcul de champs
La CEM au CEGELYLa CEM au CEGELY
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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
I(x,k)xi
xM+1
xM
Einc(xM,tk)
point decollocation
t ’ t
R
xi+1
dxdcdt)t,x(IxR
'.c),x(I
xR
'.c
32
2
RtRt
L
inc ),x(IR
'.
4)t,'x(.
ttEt'
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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 << – discrétisation spatiale: l = 5a , avec l l/10– discrétisation temporelle: l=t/c à 4 t/c, avec t T/10
présent passé
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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
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0Ij
scaMj
kM
MIMkinc
Mk
1 k
jMI
MM lllIZEI
ZZ
UE j
Mk
1
0Ij
scaMj
kM
MIMkinc
Mk
1 k
jMI
MM lllIZEI
ZZ
UE j
Mk
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CEGELY
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
10
12
0 2 4 6 8 10 12 14
temps (µs)
U, I
RD
E
L
MOS
Courant et tension dans la diode de roue libre
Champ électrique rayonné à 40 cm26 nœuds - Tcpu=15 mn sur HP9000
- Diode: modèle comportemental de Ch. Batard (1992)- MOSFET: modèle issu de Arnould, Merle (1992)
-0,100
-0,075
-0,050
-0,025
0,000
0,025
0,050
0,075
0,100
2 3 3 4 4 5 5 6 6
temps (s)
E (V/m)
Exemple:rayonnement d’un hacheur
I diode (A)- U diode (x10V)
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JCF
CR
L RL
iCR
iCF
iD
I
U
UE
Ronoff
VL
VD JCF
CR
L RL
iCR
iCF
iD
I
U
UE
Ronoff
VL
VD
-0,9
-0,6
-0,3
0,0
0,3
0,6
0,9
0,15 0,152 0,154 0,156
time (s)
I (A)
normal
perturbed
R = 100100V
250 kHz
120 mm
Einc
V = 100Vf=250 kHzR=100 Einc=E0(e-t-e-t)avec =3.3 106 et =4.5 108
Modèle comportementalde Ch. Batard (1992)
Diode:
Courantdans le circuit
-0,9
-0,6
-0,3
0,0
0,3
0,6
0,9
1,2
0 0,1 0,2 0,3 0,4 time (s)
I (A)
normal
perturbed
16 nœuds - Tcpu=6 mn sur HP9000
Exemple:susceptibilité d’un redresseur
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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
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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
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Chambre anéchoïde (ferrites + diélectriques stratifiés) récepteurs de mesures
antennes large bandessondes de champs proches amplificateurs
…
Mesures normatives (PME, PMI, …) Validation des outils numériques développés
Moyens de mesures:
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ConclusionsConclusions
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 ?
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