COMPATIBILITÉ ÉLECTROMAGNETIQUE DES SYSTÈMES COMPLEXES DE PUISSANCE. Etat de l art & Projets associés

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1 COMPATIBILITÉ ÉLECTROMAGNETIQUE DES SYSTÈMES COMPLEXES DE PUISSANCE Etat de l art & Projets associés B. Revol Maître de Conférences Ecole Normale Supérieure de Cachan UMR SATIE

2 Les principaux acteurs En 2005, création du GT CEM Club CRIN Les partenaires académiques : - Ampère - G2Elab - LGEP - IRSEEM - TELICE (IEMN) - SATIE Les partenaires industriels : - SAFRAN - EADS / IW - VALEO - RENAULT - Schneider Electric - CEDRAT Capitaliser les connaissances, les méthodes et techniques développées 4 thèses Depuis, implication de ce noyau dans les différents projets ANR et FUI 2/13

3 La CEM, une contrainte dès la conception! Oui mais avec quels outils? Quelles sont les techniques actuelles de simulation? Les modèles développés sont-ils «compatibles»? la fin des recettes de cuisine Peut-on enfin parler de prototypage virtuel en CEM? 3/13

4 Objectif : Maîtrise des émissions Conduites et Rayonnées dans les Systèmes de Puissance Amélioration des techniques de modélisation en conduit pertinence des modèles sur une large plage de fréquences études temporelles et fréquentielles couplées (technique de linéarisation) Uniformisation des modèles de composants actifs & passifs Langage Emissions Etude de description multi-plateformes VHDL-AMS Rayonnées : Modélisation des composants en champs proches 3D de la connectique et des composants (wire bounding, composants magnétiques) Mesure en champs proches et modélisation inverse (détection & localisation de sources) 4/13

5 Stratégie de simulation d un système complexe Au niveau du sous-système CEM en conduit : modélisation et simulation circuit Logiciels utilisables dans les domaines temporel et fréquentiel : Spice, Saber, Simplorer Gamme de fréquence 10MHz CEM en rayonné : modélisation analytique et/ou numérique de l environnement et de l espace (domaine fréquentiel : Ansys, HFSS, Flux3D) Gamme de fréquence MHz Objectifs : Analyse des phénomènes EM, évaluation par rapport à une norme, optimisation sous contrainte Domaines temporel et fréquentiel Liaisons fonctionnelles Liens entre les outils logiciels et les modèles Modèle équivalent du sous-système : Modèles propriétaires fermés pour la confidentialité nécessité d identifier des paramètres besoin de bancs de caractérisation spécifiques Fonction de transfert représentative du sous-système (interconnexion : fonction de transfert pour les effets rayonnés) Au niveau du système Dilemme complexité du modèle/temps de simulation/précision Modélisation : par sources équivalentes, les connexions, les charges (actionneurs, etc..) Interconnexion & simulation des couplages Modes conduit, rayonné, couplages aux câbles Problèmes à traiter : - Modélisation des effets fréquentiels nonlinéaires (commutations, saturation, etc..), - CAO sous contrainte CEM - Comment échanger des données et des modèles? Techniques Mathématiques pour réduire l ordre du problème Simulation dans le domaine fréquentiel : besoin de développer une instrumentation d analyse virtuelle Logiciel dédié : coûteux Besoin d une plate-forme logicielle capable de d assurer le lien entre des outils existants 5/13

6 Stratégie générale pour la simulation Calcul analytique des paramètres Identification expérimentale des paramètres Calcul numérique des paramètres (FEM, PEEC, MOM ) Extraction des paramètres Modèles de mode commun Solveur circuit Modèles électriques de mode différentiel Grandeurs électriques de mode commun Grandeurs électriques de mode différentiel Niveau modélisation/ simulation Domaine temporel/ fréquentiel Modèles analytiques de calcul de champ Cables, connections Modèles numériques de calcul de champ Structures 3D Compatibilité à la norme Solveur Champs rayonnés par la structure et/ou les liaisons 6/13

7 Travaux! Emissions Conduites Emissions Rayonnées Calculs et mesures des émissions conduites : - modèles équivalents des structures de puissance avec ou sans connaissances de la topologie - connaissance fine et a priori des sources intrinsèques de perturbations, - prédétermination des couplages (diaphonies) entre composants et circuits imprimés, - optimisation du placement routage. Calculs et mesures des émissions rayonnées en champs proches : - localisation des sources de rayonnement, - cartographie des cartes de puissance et des composants, - calcul du rayonnement des pistes et des composants, - susceptibilité des composants - estimation des champs lointains à partir des champs proches. 7/13

8 Maîtrise de la CEM conduite - modèles équivalents des structures de puissance Alimentation sous test Protocole d identification - Analyse des cellules de filtrage - Etude des interactions de convertisseurs connectés sur un même réseau 8/13

9 - Evolution en cours des techniques d estimation en conduit Prise en compte des imperfections des interrupteurs = Modèle valide sur une plus large bande de fréquence I CHARGE V DC FT cellule commutation V MC Z MC I MC S ignal de commande R g C p Ie Ti Is Fm A Vdc Vs Tv M B 9/13

10 Mise au point de banc de cartographie Travaux sur les champs proches Simulations numériques (champs magnétiques) Approche analytique Trouver les imperfections Décomposition en harmonique sphérique 10/13

11 Projets en cours Projets et exemples de tâches associées - FEMINA (FRAE) : filtrage actif et intégration de filtre CEM - CONCIGIHT (ANR) : intéraction puissance /commande par radiofréquence des interrupteurs - O2M (FUI / Mov eo) : modélisation VHDL AMS pour la CEM - SEISME (ANR): CEM des composants grands gap remplaçant les composants actifs traditionnels, revisite de la CEM des commandes rapprochées - MEMPHIS (FUI / ASTECH): CEM du packaging de puissance - E-CEM (ANR): CEM des machines électriques Projets en discussion - CORAC GENOME : composants grands gap - PACKMAN (FUI) : CEM des modules de puissance à report double face, réduction des capacités de mode commun 11/13

12 FEMINA : Filtrage Electromagnétiques et Matériaux pour l INtégration en Aéronautique Volumineux Peu efficace en HF Fort pouvoir Rayonnant 4cm*5cm*0.56cm Cellule de base de la partie active (BF) Filtre actif Structure hybride active + passive Partie passive intégrée dans le PCB (HF) Filtre passif Capacités enterrées + Cavité pour le CM 12/13

13 Pour conclure, Quelques éléments de réponses aux questions posées: Outils logiciels : circuits (modèle 1D), de calculs de la connectique (2D, 3D), de calculs de champs (3D) Modèles génériques pour ces outils : pertinents en fréquence, peu gourmands (temps de calcul), Limite des approches par couplage faible entre conduit et rayonné Pas de plateforme logiciel permettant de réaliser un prototypage virtuel mais des passerelles entre logiciels se mettent en place pour la CEM 13/13