Nouvelles architectures intégrées de filtre CEM hybride

par Marwan Ali

Thèse de doctorat en Électronique Électrotechnique Automatique

Sous la direction de François Costa.

Le jury était composé de François Forest, Christian Martin, Pascal Asfaux, Eric Labouré, Bertrand Revol.

Les rapporteurs étaient Charles Joubert, Yves Lembeye.


  • Résumé

    Cette thèse est focalisée sur la conception et la réalisation d'un filtre CEM hybride intégré pour une application aéronautique. Les travaux effectués durant cette thèse sont réalisés dans le cadre d’un projet FRAE (Fondation de Recherche pour l’Aéronautique et l’Espace) intitulé FEMINA (Filtrage Electromagnétiques et Matériaux pour l’INtégration en Aéronautique). Afin de protéger le réseau de bord des perturbations électromagnétiques conduites et rayonnées et répondre aux normes concernant la compatibilité électromagnétique (CEM) et plus particulièrement la norme aéronautique "DO160F [150KHz, 30MHz]», un filtre CEM est absolument nécessaire pour les cartes d’alimentations des dispositifs électroniques d’un avion. Les niveaux des perturbations générées par ce type d’équipement exigent une conception soignée pour assurer le filtrage des courants parasites qui se propagent en mode commun (MC) et en mode différentiel (MD). C’est pourquoi, la première partie du travail réalisé est consacrée à la modélisation électromagnétique de la carte d’alimentation utilisée comme support à cette étude. Cette modélisation est basée sur une représentation de type «boîte noire». Le modèle identifié est composé de sources de perturbations et d’impédances de MC et de MD équivalentes. Cette première étape permet de définir la structure électrique du filtre et les valeurs des composants à mettre en œuvre. Pour atteindre les performances requises, nous proposons dans ce travail un filtre CEM hybride optimisé, hybride signifiant qu’il est réalisé par association d’une partie purement passive et d’un filtre actif. Cette association permet de tirer le meilleur parti de chaque technologie de filtrage. Le filtre actif permet de traiter les perturbations à basses fréquences et la partie passive est dimensionnée pour les perturbations à hautes fréquences. Une intégration complète dans le circuit imprimé (PCB) des parties passives, capacitives et inductives, est proposée dans la deuxième partie de ce travail. Après avoir choisi les matériaux magnétique et diélectrique qui répondent au mieux au cahier de charge défini dans la première partie, plusieurs tests d’intégration dans le PCB ont été effectués. En prenant en compte la fragilité des matériaux magnétiques (ferrites), une géométrie plane qui répond aux spécifications a été proposée. Les principaux avantages de l'intégration proposée sont la réduction des effets inductifs et capacitifs parasites conduisant, de fait, à une augmentation des atténuations à hautes fréquences et l’augmentation de la compacité du filtre CEM. Nous démontrons que le filtre passif intégré réalisé réduit les interférences en MC et en MD dans la gamme de fréquences qui s'étend de 2,5MHz à 30MHz. Afin de compenser les tensions perturbatrices de mode différentiel jusqu’à 2,5MHz, une nouvelle topologie de filtre actif est proposée. Dans cette structure, l’injection des tensions de compensation des perturbations est effectuée à l’aide d’un enroulement auxiliaire ajouté aux enroulements couplés du filtre passif intégré. Les composants du filtre actif sont montés sur la face supérieure du PCB (composants CMS) dans lequel le filtre passif est intégré. L'assemblage du filtre hybride intégré (4 x 5 x 0,4 cm3) réduit les perturbations en MC et en MD dans la gamme de fréquence [150 kHz, 30 MHz]. Grâce à l'intégration et à l'optimisation de la topologie du filtre actif, le volume du filtre hybride est 75% plus faible que celui de l’ancien filtre CEM utilisé à l’entrée du convertisseur (4 x 5 x 1,6 cm3) tout en conservant un rendement élevé.

  • Titre traduit

    A new integrated architectures of hybrid EMC filter


  • Résumé

    This thesis is focused on the design and implementation of a hybrid integrated EMC filter for aerospace application. The work performed in this thesis is carried out in the framework of FRAE project (Research Foundation for Aviation and Space) titled FEMINA (Electromagnetic Filtering and Materials for the INtegration in Aerospace). To protect the network board from both conducted and radiated electromagnetic interferences and to meet the standards for electromagnetic compatibility (EMC) and especially the aviation standard "DO160F [150 KHz, 30 MHz]," an EMC filter is absolutely necessary to the aircraft's electronic power supply board. The disturbance levels generated by this type of equipment require careful design to ensure the filtering of parasitic currents that propagate in common mode (CM) and differential mode (DM). Therefore, the first part of the work is devoted to the electromagnetic modeling of the power supply board used as support for this study. This modeling is based on a "black box" representation. The identified model is composed of equivalent disturbance sources and impedances in CM and DM. This first step leads to define the electrical structure of the filter and the component values. To achieve the required performances, an optimized hybrid EMC filter is proposed in this work- hybrid means an association of a purely passive part and active filter. This association will make the most advantage of each filtering technology. The active filter can handle disturbances at low frequencies and the passive part is designed to the high frequencies. Full integration within the printed circuit board (PCB) of passive parts, capacitive and inductive, is proposed in the second part of this work. After choosing the magnetic and dielectric materials that best meet the defined specifications in the first part, several integration tests on the PCB have been made. Considering the fragility of magnetic materials (ferrites), a planar geometry that meets the specifications has been proposed. The main advantages of the proposed integration are the reduction of inductive and capacitive parasitic effects lead to an increase the attenuation at high frequencies and to increase the compactness of the EMC filter. We demonstrate that the realizing of integrated passive filter reduces the CM and DM interference in the frequency range extending from 2.5 MHz to 30MHz. To compensate the differential mode interference voltages up to 2.5 MHz, a new topology of an active filter is proposed. In this structure, the injection of disturbances compensation voltage is performed using an auxiliary winding added to the coupled windings of integrated passive filter. The active filter components are mounted on the upper side of PCB (SMD components) in which the passive filter is integrated. The assembly of the integrated hybrid filter (4 x 5 x 0.4 cm3) reduces the CM and DM disturbances in the frequency range [150 kHz, 30 MHz]. Thanks to the integration and optimization of the active filter topology, the hybrid filter volume is 75% lower than that of the former EMC filter used at the input of the converter (4 x 5 x 1.6 cm3) while maintaining a high efficiency.


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