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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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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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CEGELY

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 ?