Modélisation du rayonnement électromagnétique quasi-statique des composants magnétiques de puissance - Application à la compatibilité EM -

par Pierre-Etienne Lévy

Thèse de doctorat en Électronique, Électrotechnique et Automatique

Sous la direction de François Costa.


  • Résumé

    L'augmentation du nombre de fonctions électriques disponibles dans les systèmes embarqués amène de nouvelles contraintes d'encombrement et de masse de leurs alimentations. Pour adresser ces problèmes, la miniaturisation et l'intégration des convertisseurs statiques sont donc des thématiques importantes de recherche qui aboutissent à de nombreuses évolutions technologiques et structurelles dont l'apparition de convertisseurs statiques à fréquence de fonctionnement élevée permettant la réduction des éléments passifs du convertisseurs.Ces avancées s'accompagnent cependant d'une augmentation des niveaux de perturbations électromagnétiques générés par le système. Afin de les diminuer, l'insertion de filtres CEM dans le système est nécessaire. Leurs performances sont fortement liées au contrôle de leurs éléments parasites. Les modèles développés jusqu'à présent concernent pour la plupart les effets conduits et l'évaluation de l'impact des phénomènes rayonnés est souvent ignoré ou au mieux basé sur des modèles simplistes. Un des objectifs de cette thèse est donc d'apporter un degré de complexification plus élevé des modèles de rayonnement des composants magnétiques utilisés dans les filtres CEM, tant par une approche par modélisation numérique que par la mise en oeuvre d'un modèle analytique.Dans un premier temps, une étude poussée du rayonnement magnétique de composants simples, les inductances toriques de mode différentiel, a été réalisée. Cette étude a débouché sur la mise en évidence des paramètres critiques déterminant la topologie du champ magnétique rayonné dans l'environnement proche du composant. Le résultat majeur de cette étude est l'importance de la répartition du bobinage autour du circuit magnétique sur le champ magnétique rayonné. De nouveaux modèles ont été proposés pour permettre la prédiction des champs proches rayonnés pour une gamme de fréquence inférieure à la résonance propre du composant.Par la suite, un modèle analytique fin du rayonnement magnétique des inductances de mode commun a été proposé. Ce modèle permet de déterminer \emph{a priori} le rayonnement magnétique proche du composant. Les études menées par la suite ont permis de relier les effets observés en rayonné au phénomènes conduits qui apparaissent dans ces composants notamment pour expliquer certains effets de transfert de mode (commun/différentiel).Dans une dernière partie, une étude de ces composants en susceptibilité électromagnétique (EM) a été menée. Elle a permis de rendre compte de l'influence d'une onde incidente de champ magnétique sur les composants étudiés et de valider les modèles proposés via une approche basée sur la réciprocité EM: la direction privilégiée de rayonnement est aussi celle de couplage facile pour un champ magnétique externe.

  • Titre traduit

    Modeling of quasi-static electromagnetic field radiated by magnetic components used in EMI filters


  • Résumé

    The number of electronic devices in embedded systems is constantly increasing and their contribution to volume and weight is a major concern. In order to solve these issues, a large research effort is devoted to volume reduction and power converters' integration. This lead to constant technological evolution including the appearance of high frequency power electronic converters allowing the reduction of the volume of passive components.However, due to the increase of operating frequencies and the minimization of inter-components distances, the electromagnetic radiations generated by these systems become more important. In order to decrease this interference, EMI filters are often necessary. Their performances are often related to the value of parasitic elements in the filter which must therefore be controlled. Nonetheless most of the existing models focus on conducted electromagnetic interference (EMI) and the impact of radiated phenomena is often ignored or greatly simplified. This work will therefore focus on developing highly accurate radiation models for magnetic components commonly used in EMI filters using both numeric and analytic tools.First, the magnetic fields radiated by differential mode (MD) toroidal coils, which belong to the basic magnetic components, will be thoroughly studied. This study highlighted the critical parameters determining the near-field topology. The main result is the discovery of the impact of the winding's layout around the magnetic core on the radiated magnetic field. New models have been developed in order to predict the radiated near field.Then, an accurate analytic model of the the magnetic radiation of common-mode (CM) chokes has been developed. It allows the prediction of the magnetic near-field. The application of the model lead to the correlation between radiated phenomena and conducted effects existing in these components. The importance of the winding on CM to DM mode coupling has therefore been highlighted.Finally, the electromagnetic (EM) susceptibility of these components has been studied. This work describes the influence of an external magnetic field on the components and validates the radiation models developed using the principle of EM reciprocity. It has been shown that the easy directions are the same for both the radiated and the coupled phenomena.


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