F. GUITTON, "Etude des formes d'onde CEM permettant d'éliminer le filtre secteur d'un convertisseur commutant des charges résistives directement sur le réseau basse tension. Application aux circuits intégrés de puissance ASDtm",
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Titre : F. GUITTON, Etude des formes d'onde CEM permettant d'éliminer le filtre secteur d'un convertisseur commutant des charges résistives directement sur le réseau basse tension. Application aux circuits intégrés de puissance ASDtm,

Auteur : Fabrice GUITTON

Date : le 28 octobre 1999, UNIVERSITE FRANCOIS RABELAIS TOURS
Info : THESE POUR OBTENIR LE GRADE DE DOCTEUR DE l'UNIVERSITE DE TOURS
Discipline : Sciences de l'ingénieur
Stockage : bibliuothèque LMP.

Directeur : M. le Professeur Jean BAILLOU
JURY :
M. FOCH Henry Président LEEI, Toulouse
M. COSTA François Rapporteur LESIR, Cachan
M. ROUDET James Rapporteur LEG, Grenoble
M. BAILLOU Jean Examinateur LMP, Tours
M. MAGNON Didier Examinateur LMP, Tours
M. ROJAT Gérard Examinateur CEGELY, Lyon
M. JERISIAN Robert Invité LMP, Tours
M. PEZZANI Robert Invité STMicroelectronics, Tours
M. PUZO Antoine Invité SAFT, Chambray-les-Tours

Cette étude a été réalisée avec le concours de la Région Centre.

Vers : TABLE DES MATIERES
Vers : BIBLIOGRAPHIE - 203

Résumé :
Les convertisseurs basse fréquence commutant une charge résistive directement sur le réseau EDF génèrent des perturbations
électromagnétiques conduites bien au-dessus des normes en vigueurs. Les perturbations sont essentiellement de mode
différentiel. Pour les circuits intégrés de puissance ASDÔ, l'ajout d'une filtre secteur est inconcevable. L'objet de cette
étude consiste donc à réduire les perturbations émises en contrôlant les formes d'ondes de courant à la commutation des
interrupteurs. La démarche de ce travail consiste à prendre comme référence une norme donnée, et définir des formes d'onde
compatibles avec celle-ci. Ces calculs sont tout d'abord réalisés par une recherche itérative des caractéristiques de trois
formes de commutation, linéaire, exponentielle et sinusoïdale, afin d'évaluer la faisabilité de cette méthode. Ensuite, une
corrélation entre les domaines temporel et fréquentiel est exposée : celle-ci permet de mettre en évidence la résolution
temporelle des mesures, et la définition de critères pertinents pour caractériser une forme d'onde directement dans le
domaine temporel. Une des méthodes employées, basée sur les dérivées successives d'un signal, permet à la fois de définir
rapidement des formes d'onde CEM directement dans le domaine temporel, et d'extraire les instants perturbateurs contenus
dans une forme d'onde, qui peuvent posséder plusieurs commutations par période. Ces résultats ont permis la réalisation
d'un hacheur secteur architecturé autour d'un GTO : il compatible avec les normes CEM, sans filtre secteur. De plus, ce
circuit est intégrable sur une même puce : deux composants extérieurs sont nécessaire pour réaliser cette fonction.
Mots_clés :
Norme CEM, perturbations conduites, corrélation temps-fréquence, dérivées successives, circuits intégrés de puissance,
commutation linéaire, réduction de perturbations.

Abstract :
The low frequency converters which commute resistive loads directly on the mains generate conducted ElectroMagnetic
Interferences much higher than standards. Perturbations are essentially propagated in differential mode. For the power
integrated circuits ASDÔ, adding a mains filter is not realist. The aim of this study consist in reducing perturbations
by controlling the current waveform at the switches commutation. This work consist in defining waveforms which fulfilled
a given standard template. Waveforms are at first computed by an iterative algorithm, with three commutation forms: linear,
exponential and sinusoidal. These calculus are achieved to evaluate the feasibility of the perturbations reduction method.
Then, three methods allowing a correlation between time and frequency are described : this highlights the time resolution
of the measurements, and provides some relevants criterions to characterize a current signal directly in the time domain.
One of these methods, based on the successive derivative of a signal, allow to define some EMC signal directly in the time
domain, and to extract perturbing instants of a current waveform. These waveforms can contain one or several commutations
per period. Results led to realize a mains chopper built around a GTO: it complies with the conducted standards, without
any mains filter. Furthermore, this circuit can be integrated on the same die: only two components are necessary to achieve
this function.
Keywords :
EMC standard, conducted EMI, time-frequency correlation, successive derivatives, power integrated circuit, linear commutation,
perturbations reduction.


TABLE DES MATIERES

TOP

INTRODUCTION 13
CHAPITRE I : Présentation du sujet 19
1 Introduction 21
2 Compatibilité électromagnétique 21
2.1 Généralités 21
2.2 Normes d'émission 22
2.3 Origine des perturbations conduites 25
3 Applications étudiées 26
3.1 Généralités sur les circuits intégrés de puissance 26
3.2 L'approche "Intégration fonctionnelle" 26
4 Problèmes posés par les commutations, directement sur le secteur , d'une charge résistive 28
4.1 Les ASDä connectés sur le secteur 28
4.2 Perturbations générées par la commutation sur une charge résistive 29
4.3 Réduction des perturbations par filtrage 32
5 Conclusion et orientation des recherches 35
CHAPITRE II : Compatibilité électromagnétique conduite : métrologie et simulation 37
1 Introduction 39
2 Métrologie 39
2.1 Le Réseau Stabilisateur d'Impédance de Ligne 40
2.2 Le récepteur de mesure 42
2.3 Influance du RSIL sue les perturbations générées 43
3 Simulation des perturbations électromagnétiques conduites 44
3.1 Modèles de simulation 44
3.2 Modèle du RSIL 46
3.3 L'analyseur de spectre 47
3.4 Modélisation de l'ensemble du banc sous MATLAB 51
3.5 Validation de la modélisation 56
4 Conclusion 58
CHAPITRE III : Recherche théorique d'une commutation 50Hz CEM 59
1 Introduction 61
2 Action sur la commande d'un GTO 61
2.1 Schéma d'étude et formes d'ondes à l'ouverture du GTO 61
2.2 Définition d'un modèle du courant à l'ouverture du GTO 63
2.3 Détermination des paramètres permettant d'obtenir un GTO CEM 64
3 Définition de formes d'ondes CEM 66
3.1 Introduction 66
3.2 Méthode de calcul des formes d'ondes 67
3.3 Partie décisionnelle du programme 69
3.4 Décroissance de pente constante 71
3.5 Décroissance exponentielle 75
3.6 Décroissance sinusoïdale 78
4 Conclusion 80
CHAPITRE IV : Mise en application de la forme d'onde CEM théorique 81
1 Introduction 83
2 Principe de fonctionnement 84
2.1 Choix des éléments 84
2.2 Définition de la structure 84
2.3 Simulation et résultats 85
2.4 Synthèse 88
3 Réalisation de la structure 88
3.1 Schéma 88
3.2 Principe de fonctionnement 89
3.3 Etude de la commutation 90
3.4 Synthèse 97
4 Forme d'onde du courant consommé par le montage, et perturbations générées 98
4.1 Perturbations conduites 98
4.2 Perturbations rayonnées 99
4.3 Synthèse 100
5 Intégration de la cellule 100
6 Dispersion des composants 102
6.1 Gain à l'ouverture 103
6.2 Gain en courant du transistor 103
6.3 Synthèse 104
7 Applications 104
7.1 Alimentation 240VAC/7VDC, 50mA 104
7.2 Gradateur de lumière compatible CEM sans filtre 107
8 Conclusion 110
CHAPITRE V : Corrélation temps-fréquence : théorie 111
1 Introduction 113
2 Outils de corrélation temps-fréquence 113
2.1 La transformée de Fourier à fenêtre glissante 114
2.2 La transformée en ondelettes 115
2.3 Choix de la transformée 116
2.4 Choix de la fenêtre de troncature 117
3 Résolution temporelle des mesures 119
3.1 Utilisation de la transformée de Fourier à fenêtre glissante 119
3.2 Détermination de la résolution temporelle 122
3.3 Méthodes permettant d'augmenter la résolution temporelle 125
3.4 Caractérisation CEM d'un signal par l'utilisation de ses dérivées 133
4 Simulation du détecteur quasi-crête 137
5 Conclusion 142
CHAPITRE VI : Définition de formes d'onde CEM directement dans le domaine temporel 143
1 Introduction 145
2 Détermination des coefficients An 145
2.1 Calcul de l'amplitude maximale pour une dérivée première discontinue 146
2.2 Calcul de l'amplitude maximale pour une dérivée seconde discontinue 148
2.3 Calcul de l'amplitude maximale pour une dérivée troisième discontinue 149
3 Application sur des formes d'ondes possédant une commutation par période 151
3.1 Signal possédant une seule impulsion de Dirac par fenêtre temporelle 152
3.2 Application sur un signal possédant plusieurs impulsions de Dirac par fenêtre temporelle 153
4 Formes d'ondes possédant plusieurs commutations par période 158
4.1 Méthode de calcul 159
4.2 Commutation avec pente constante 161
4.3 Commutation de forme sinusoïdale 163
4.4 Validation par mesure 164
4.5 Considération concernant l'utilisation d'un convertisseur numérique-analogique. 168
5 Autres formes de commutations 171
6 Conclusion 174
CHAPITRE VII : Détection des instants perturbateurs responsables de la non compatibilité électromagnétique d'une forme d'onde 175
1 Introduction 177
2 Logiciel de détection des instants perturbateurs 177
2.1 Calcul des dérivées successives 178
2.2 Détection des discontinuités dans les dérivées successives d'une forme d'onde 179
2.3 Estimation du pouvoir perturbateur de chaque Dirac 180
2.4 Résultats 181
2.5 Synthèse 186
3 Corrélation temps-fréquence par mesure 186
4 Conclusion 191
CONCLUSION 193
ANNEXE : Calcul du filtre de mode différentiel 199

BIBLIOGRAPHIE - 203

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