Modélisation des interconnexions de puissance avec la méthode PEEC

Modélisation des interconnexions de puissance avec la méthode PEEC

Principe de la modélisation CEM conduite et rayonnée

La compatibilité électromagnétique est l’aptitude d’un système électrique à fonctionner, • sans se perturber lui même (au sens destruction comme au sens dysfonctionnement d’une partie de l’électronique sensible), • sans perturber l’environnement (respect des normes d’émission), • sans être perturbé par l’environnement (respect des normes de susceptibilité). Les sources de perturbations électromagnétiques peuvent avoir une origine naturelle (comme la foudre, les décharges électrostatiques et les rayonnements cosmiques) ou artificielle. Les origines artificielles peuvent être volontaires comme les ondes radars, signaux de télécommunications (ondes radio, TV, GSM, Wifi, etc.). Les perturbations involontaires sont essentiellement dues aux réseaux de distribution d’électricité, des installations industrielles, des dispositifs d’électronique de puissance tels les convertisseurs statiques (hacheurs, variateurs de vitesse), les alimentations à découpage et de tout appareil électrique grand public. La CEM balaye une très large gamme de fréquence allant de quelques kilo-hertz à plusieurs giga-hertz. En électronique de puissance, on distingue deux gammes de fréquences, la gamme conduite entre 10 kHz et 30 MHz et la gamme rayonnée 30 MHz et 200 MHz (voire même 1 GHz). Le tableau suivant I.1 donne des ordres de grandeurs caractéristiques qu’il faut avoir en tête pour Les notions de CEM conduite et rayonnée sont relatives au mode de perturbation. 

Perturbations conduites

 Dans le premier cas le système se perturbe par des courants parasites circulant dans les câbles, les conducteurs ou dans l’air (via des capacités parasites). On distingue deux types de courants parasites. • Les courants de mode différentiel conduisent à des perturbations symétriques. Ces courants parasites se superposent au courant utile et induisent des tensions de mode différentiel qui vont perturber le circuit victime. Ces courants circulent dans les conducteurs intentionnels, c’est à dire principalement les câbles d’alimentation ou les conducteurs. • Les courants de mode commun conduisent à des perturbations asymétriques. Ces courants parasites circulent également dans les conducteurs intentionnels et se referment à travers des capacités parasites dans les structures métalliques du dispositif comme les plans de masse, les châssis métalliques, la terre…

Perturbations rayonnées

 Les perturbations rayonnées se propagent par des ondes électromagnétiques caractérisées en tout point de l’espace par le champ électrique E et le champ magnétique H. Pour la CEM rayonnée, on distingue deux zones de perturbations : les zones de champ proche (zones de Rayleigh puis de Fresnel) et les zones de champ lointain (zone de Fraunhofer). La limite entre ces deux zones est la distance λ/(2π) (tableau I.1), avec la longueur d’onde λ = c0/f, avec c0 la vitesse de la lumière dans le vide c0 = 3.108 m/s. Dans la zone de champ proche les phénomènes sont de plus en plus complexes. Le champ prédominant est le champ magnétique H, exprimé en A/m. Il est engendré par un circuit électrique basse impédance parcouru par un courant. Dans cette zone de champ proche, le champ magnétique H est en phase avec les courants. A proximité des sources (dans la zone de Rayleigh), de l’énergie réactive est échangée avec le milieu environnant. Dans la zone de champ lointain, le champ électrique E prédomine. Celui-ci, exprimé en V/m, est engendré par un circuit électrique à haute impédance soumis à une différence de potentiel élevée.Dans cette zone les ondes sont planes et leur intensité décroît de façon inversement proportionnelle à la distance. Il suffit de connaître un des champs pour connaître l’autre. 

Modes de couplage 

La modélisation CEM est très complexe de part la multitude de couplages possibles entre éléments de circuit ou entre éléments de circuit et l’environnement électromagnétique [6]. On distingue : • le couplage par impédance de masse : tout conducteur possède une impédance non nulle. Ainsi, tout courant circulant dans le conducteur génère une différence de potentiel à ses bornes. Et celle-ci est d’autant plus élevée que les fronts de courant et les inductances parasites sont importants. • Le couplage circuit-châssis : ce couplage est dû aux capacités parasites existantes entre les différents conducteurs et le plan de masse. La variation du potentiel dans les conducteurs crée donc un courant de déplacement des conducteurs vers le plan de masse. • Le couplage par diaphonie inductive : le courant circulant dans un fil crée autour de ce fil un champ magnétique. La variation de ce champ magnétique crée une différence de potentiel dans les boucles voisines. • Le couplage par diaphonie capacitive : la différence de potentiel entre un conducteur et son environnement génère autour de ce conducteur un champ électrique. La variation de ce champ crée un courant injecté dans les conducteurs proches. • Le couplage champ à fil : la variation d’un champ électrique incident sur un fil crée un courant dans le conducteur. • Le couplage champ à boucle : la variation d’un champ magnétique embrassant une boucle crée une différence de potentiel aux bornes de celle-ci. L’enjeu de la modélisation CEM est de prédire et de quantifier ces différents couplages.

Caractéristiques des structures d’électronique de puissance

 La modélisation des structures d’électronique de puissance possèdent de nombreuses difficultés géométriques et physiques. Ces structures sont très souvent fines et planes, réalisées sur circuit imprimé multi-couches (plusieurs couches minces en vis-a-vis très proches) impliquant des échelles géométriques très différentes allant de quelques millimètres en épaisseur à plusieurs centimètres ou dizaines de centimètres en largeur. Par exemple les conducteurs sont généralement très fins, de 35 à 70 µm d’épaisseurs, et peuvent être longs, 15 à 30 cm comme pour les parties mécaniques et les plans de masse dans lesquels circulent des courants parasites. Pour mieux illustrer la complexité et la compacité des structures d’électronique de puissance, la figure I.1 montre des images de convertisseurs statiques d’électronique de puissance : des variateurs de vitesse industriels (Schneider-Electric