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UNIVERSITE FRANÇOIS-RABELAIS TOURS Ecole Doctorale : Santé, Sciences, Technolog

UNIVERSITE FRANÇOIS-RABELAIS TOURS Ecole Doctorale : Santé, Sciences, Technologies Année universitaire : 2004/2005 THESE POUR OBTENIR LE GRADE DE DOCTEUR DE L UNIVERSITE DE TOURS Discipline : Sciences Pour l Ingénieur Présentée et soutenue publiquement Par : Stéphane BREHAUT 18 février 2005 Modélisation et optimisation des performances CEM d un convertisseur AC/DC d une puissance de 600 W Directeur de thèse : M. Didier MAGNON JURY : M. BALCELLS, J. Professeur à l Université Polytechnique de Catalogne (Espagne) Président du Jury M. BAUSIERE, R. Professeur à l Université de Lille I Rapporteur M. NICOLAS, L. Directeur de recherches au CNRS, laboratoire CEGELY, Lyon Rapporteur M. LE BUNETEL, J. C. Maître de conférences à l Université de Tours Examinateur M. MAGNON, D. Maître de conférences (HDR) à l Université de Tours Directeur de thèse M. PUZO, A. Docteur, SAFT, Chambray lès Tours Examinateur M. PINNA, F. Chef du service des actions économiques, C.G 37 Invité - 2 - - 3 - Avant propos Le sujet de cette thèse résulte d une collaboration entre : d une part le Laboratoire de Micro- électronique de Puissance de Tours (LMP) et d un partenaire industriel : la SAFT, leader mondial de la fabrication de batteries de haute technologie pour l industrie, le transport, l espace et la défense. Je tiens dans un premier temps à remercier les membres de jury : Monsieur J. BALCELLS, Professeur à l Université Polytechnique de catalogne, et directeur du groupe de recherche du département de génie électronique à l Université Polytechnique de Catalogne, d avoir accepté de me faire l honneur de présider le jury. Monsieur R. BAUSIERE, Professeur à l Université des Sciences et Technologie de Lille, et responsable de l équipe conversion au laboratoire L2EP, pour avoir accepté cette étude et d en faire le rapport scientifique. Monsieur L. NICOLAS, Directeur de recherche CNRS au CEGELY, d avoir accepté cette étude et d en faire le rapport scientifique. J exprime ainsi ma reconnaissance à monsieur R. JERISIAN, Professeur à l Université de Tours, directeur du LMP, de m avoir accueilli dans son laboratoire. J exprime ma gratitude à monsieur D. MAGNON, Maître de Conférence à l Université de Tours et Habilité à Diriger des Recherches, d avoir accepté de participer au jury et avant tout d être le directeur de cette thèse. Qu il trouve ici ma reconnaissance pour son soutien scientifique et moral ainsi que sa disponibilité. Je tiens à remercier monsieur J-C LEBUNETEL, Maître de Conférence à l Université de Tours. Qu il trouve ici l expression de ma reconnaissance pour le soutien qu il m a accordé durant ces années, en s appuyant sur ses qualités tant scientifiques qu humaines. Monsieur A. PUZO, Ingénieur à la SAFT, responsable du service essais et qualification, pour la passion, le dynamisme qu il a su exprimé aux cours de nos discussions. Je le remercie aussi pour m avoir appris à traiter un projet avec rigueur et bon sens. Je tiens à remercier l ensemble des chercheurs, doctorants et personnels du LMP qui ont participé directement ou indirectement à l accomplissement de ce travail. - 4 - Qu il me soit permis ici de remercier l ensemble de ma famille et de mes amis pour les soutiens et encouragements qu ils m ont transmis tout au long de ses trois longues années Je terminerai en réservant une place toute particulière à Marie qui, par sa patience et son appui de chaque instant m a grandement facilité l accomplissement de ce travail. Tours, le 28 février 2005 - 5 - Sommaire Introduction générale . ... 11 CHAPITRE 1 :Présentation du sujet ................................................................. 17 1. Contexte de l étude ...................................................................................................................17 2. Les alimentations de puissance monophasées à courant d entrée sinusoïdal..................18 2.1 Les perturbations générées par les alimentations de puissance ........................................18 2.2 La pollution électromagnétique en BF .................................................................................18 2.2.1. Présentation...............................................................................................................18 2.2.2. Les solutions pour limiter les harmoniques BF..........................................................18 2.3 Les alimentations les plus répandues..................................................................................19 2.3.1. Le pont redresseur monophasé.................................................................................19 2.3.2. Les structures mono-étage........................................................................................19 2.3.3. Les structures à deux étages ....................................................................................19 3. Généralités sur la pollution électromagnétique.....................................................................21 3.1 Fondements de la pollution EM ...........................................................................................22 3.2 Les émissions conduites......................................................................................................22 3.3 Les émissions rayonnées ....................................................................................................23 3.4 Les normes HF internationales............................................................................................23 3.5 Le banc de mesure ..............................................................................................................25 3.6 Les éléments générateurs de la pollution EM .....................................................................25 3.6.1. Les composants actifs ...............................................................................................25 3.6.2. Les composants passifs ............................................................................................26 3.7 La simulation de la pollution EM des convertisseurs de puissance en mode conduit.........27 3.7.1. Méthode indirecte : la simulation dans le domaine temporel ....................................27 3.7.2. Méthode directe : la simulation dans le domaine fréquentiel ....................................28 4. L alimentation étudiée : un chargeur de batterie ...................................................................33 4.1 Généralités...........................................................................................................................33 4.2 Le premier étage..................................................................................................................34 4.3 Le second étage ..................................................................................................................34 4.4 Les filtres passifs sur le chargeur de batterie ......................................................................35 5. Conclusion .................................................................................................................................36 CHAPITRE 2 :Modélisation du PFC .................................................................. 39 1. Introduction................................................................................................................................39 1.1 Modèles HF en électronique de puissance .........................................................................39 1.2 Hypothèses de départ..........................................................................................................39 2. Etude du premier module : le PFC...........................................................................................40 2.1 Modélisation du Récepteur ..................................................................................................40 - 6 - 2.2 Modélisation des chemins de propagation ..........................................................................41 2.2.1. Les shunts..................................................................................................................42 1.1.2. L inductance de stockage du montage Boost............................................................44 1.1.3. Le routage..................................................................................................................45 1.3 Le pont redresseur..............................................................................................................48 1.4 Modélisation des sources de pollution.................................................................................49 1.4.1. Identification des types de pollution EM ....................................................................49 1.4.2. Choix des générateurs de pollution EM.....................................................................50 1.4.3. Impédance dynamique des générateurs de pollution................................................51 1.4.4. Calculs des spectres des sources de pollution..........................................................52 1.5 Modélisation fréquentielle du PFC en HF ............................................................................56 1.5.1. La matrice impédance d un système linéaire ............................................................56 1.5.2. Le PFC complet en HF avec les pistes parfaites.......................................................56 1.5.3. Résolution du système matriciel associé au schéma du PFC...................................58 1.5.4. Réalisation du modèle fréquentiel du PFC avec les pistes parfaites ........................58 1.1.5. Insertion des inductances parasites des pistes.........................................................62 1.1.6. Insertion des capacités parasites entre la masse et les pistes .................................63 1.1.7. Insertion des capacités parasites entre la masse et les pistes .................................64 1.6 Test de robustesse ..............................................................................................................66 1.6.1. Changement de la valeur d une capacité de découplage .........................................66 1.6.2. Changement des valeurs des capacités de mode commun......................................67 1.6.3. Influence des capacités par plages de fréquences ...................................................68 3. Généralisation de la méthode et conclusion ..........................................................................69 CHAPITRE 3 :Modélisation du pont complet et de l ensemble du convertisseur .................................................................................73 1. Etude du second module : Le pont complet...........................................................................73 1.1 Simplifications ......................................................................................................................74 1.2 Modélisation du transformateur en HF ................................................................................74 1.2.1. Constitution d un transformateur ...............................................................................74 1.2.2. Le système magnétique.............................................................................................75 1.1.3. Le système électrostatique........................................................................................76 1.3 Modélisation des sources de pollution.................................................................................80 1.3.1. Choix des générateurs de pollution EM.....................................................................80 1.3.2. Impédances dynamiques des générateurs de pollution............................................81 1.4 Schéma équivalent du pont complet obtenu en HF.............................................................82 1.5 Résultats théoriques et pratiques ........................................................................................83 2. Etude du convertisseur complet..............................................................................................84 2.1 Le pont redresseur au secondaire du transformateur..........................................................85 2.2 Schéma équivalent en HF du redresseur demi pont ...........................................................86 2.3 Simplification de la matrice impédance du convertisseur complet ......................................87 - 7 - 2.4 Première approche ..............................................................................................................88 2.4.1. Résultats théoriques et pratiques..............................................................................89 2.5 Seconde approche...............................................................................................................89 2.5.1. Résultats théoriques et pratiques..............................................................................90 3. Pollution EM en sortie de l ensemble convertisseur .............................................................91 3.1 Prise de mesure CEM..........................................................................................................91 3.2 Simplification de la matrice impédance du convertisseur complet ......................................92 3.2.1. Résultats théoriques et pratiques..............................................................................93 4. Conclusion .................................................................................................................................95 CHAPITRE 4 :Analyse des résonances en HF et modélisation du filtre........ 99 1. Introduction................................................................................................................................99 2. Analyse du spectre de pollution du PFC ................................................................................99 2.1 Origine d une résonance sur un circuit du second ordre.....................................................99 2.2 Interaction entre les éléments passifs et la cellule de commutation du PFC ....................100 2.2.1. Identification des boucles ........................................................................................100 2.2.2. Boucle de résonance à 8 MHz ................................................................................102 2.2.3. Boucle de résonance à 12 MHz ..............................................................................104 2.2.4. Boucle de résonance à 18 MHz ..............................................................................105 2.3 Les capacités de mode commun C103 C104........................................................................107 3. Influence de la capacité Bus et de l inductance de Boost ..................................................108 3.1 La capacité bus sur le PFC................................................................................................108 3.2 L inductance de Boost........................................................................................................109 3.2.1. Fonctionnement en BF ............................................................................................110 3.2.2. Les parasites en HF ................................................................................................110 3.2.3. Les changements de phase ....................................................................................110 3.2.4. Intérêt d une inductance de Boost sans changement de phase .............................111 4. Analyse du spectre de pollution de l onduleur ....................................................................112 4.1 La capacité bus sur l onduleur...........................................................................................112 4.1.1. Changement de phase de la capacité bus en mode conduit ..................................112 4.1.2. Une capacité de bus parfaite...................................................................................113 4.2 Les capacités Drain Source des MOSFETs sur le pont complet ......................................113 5. Analyse du spectre de pollution de l ensemble du convertisseur.....................................115 5.1 L ensemble du convertisseur .............................................................................................115 5.2 Une inductance de Boost sans changement de phase .....................................................116 5.3 Les capacités Drain Source des MOSFETs ......................................................................116 5.4 Ajout de deux capacités de mode commun C103 et C104....................................................117 6. Le filtre de mode commun......................................................................................................118 6.1 La bobine de mode commun L101 ......................................................................................118 6.1.1. Fonctionnement de la bobine L101 ...........................................................................119 1.1.2. Les parasites de la bobine en HF............................................................................120 - 8 - 1.1.3. l inductance de mode commun................................................................................121 1.1.4. Insertion de l inductance de fuite .............................................................................122 1.1.5. Apparition d un pic de pollution à 1,2 MHz ..............................................................123 1.1.6. Le filtre complet .......................................................................................................126 1.2 Bilan des pics de résonance liés aux boucles A, B et C....................................................127 7. Conclusion ...............................................................................................................................127 CHAPITRE 5 :Optimisation ..............................................................................133 1. Introduction..............................................................................................................................133 2. La dépollution sur le uploads/Science et Technologie/ s-brehaut-thesis-2005.pdf