Titre : Modélisation haute fréquence d’une chaîne de conversion de puissance pour la réduction des perturbations
électromagnétiques émises vers le réseau d’alimentation
Financement prévu : Contrat doctoral Université Lille 1 et Région Nord-Pas de Calais
Cofinancement éventuel :
(Co)-Directeur de thèse : Nadir IDIR
E-mail : [email protected]
Co-directeur de thèse : Arnaud VIDET
E-mail : [email protected]
Laboratoire : EA 2697 : Laboratoire d'Électrotechnique et d'Électronique de Puissance (L2EP)
Equipe : Électronique de puissance
Contexte
Une chaîne de conversion de puissance se compose typiquement d’une source d’alimentation, d’un
convertisseur électronique de puissance et d’un actionneur électromécanique, ces éléments étant
interconnectés par des câbles d’énergie de quelques dizaines de mètres de longueur. Les commutations
de plus en plus rapides des semiconducteurs constituant le convertisseur sont source de perturbations à
haute fréquence se propageant dans l’ensemble de ce système et se rebouclant par le réseau
d’alimentation. Afin d’éviter de possibles dysfonctionnements des appareils électriques voisins
connectés sur ce même réseau, les normes de compatibilité électromagnétique (CEM) imposent des
limites en termes d’émission des perturbations électromagnétiques dans une large bande de fréquence
(jusque plusieurs dizaines de mégahertz). Dans ce contexte, la prédiction des perturbations émises dans
l’ensemble du système par simulation numérique doit permettre d’agir dès la conception d’une chaîne
de conversion pour maîtriser les aspects CEM tout en limitant le recours aux filtres passifs souvent
nécessaires a posteriori, et impactant notamment le coût et le volume des installations.
Objectifs
Le travail de thèse débutera par une synthèse bibliographique portant sur la compatibilité
électromagnétique en électronique de puissance, en particulier dans le contexte des convertisseurs
fonctionnant à haute fréquence et avec des durées de commutation de plus en plus courtes. Il s’agira
ensuite, à partir de simulations numériques et de relevés expérimentaux, de caractériser le
comportement haute fréquence des différents composants d’un système de conversion d’énergie
(réseau, convertisseur, câbles, machine) sollicités dans des conditions de fonctionnement réelles sous
différentes contraintes (thermique, niveau de courant). Ces données permettront la mise en œuvre de
modèles haute fréquence dans l’objectif de simulations prédictives des perturbations dans l’ensemble
du système. Les modèles ainsi développés devront être à la fois efficaces en termes de temps de
simulation et précis sur une large bande de fréquence (jusqu’au moins 50 MHz), en vue d’optimiser une
chaîne de conversion de puissance respectant les contraintes CEM. Une validation expérimentale de la
méthodologie proposée sera effectuée sur un système de conversion développé à cet effet au sein du
laboratoire.
Contexte Scientifique
Afin d’améliorer la compacité et le rendement des convertisseurs de puissance, les fréquences de
fonctionnement mises en jeu ainsi que les vitesses de commutation ont tendance à augmenter fortement,
ce qui en contrepartie constitue une source de perturbations électromagnétique de plus en plus intense
dans les hautes fréquences. Cela est d’autant plus vrai avec l’arrivée nouvelle des composants
semiconducteurs de puissance à base de matériaux à large bande interdite tels le carbure de silicium
(SiC) et le nitrure de gallium (GaN), dont les excellentes caractéristiques physiques permettent la
conception de convertisseurs à haut rendement et haute densité de puissance, au prix d’un impact CEM
difficile à maîtriser. Dès lors, la modélisation haute fréquence (HF) et l’intégration des contraintes
CEM en phase de conception constituent des enjeux majeurs, avec comme critères déterminants le
domaine de validité en fréquence et la rapidité des simulations numériques en vue d’optimiser le
comportement CEM du système. Ce travail de recherche pourra s’appuyer sur les développements
récents du laboratoire sur la modélisation HF des chemins de propagation [1] et des sources de
perturbation [2], en profitant des méthodes de mesure et de caractérisation des composants de puissance
[3, 4] qui permettront de paramétrer ces modèles de sources.
[1]
[2]
[3]
[4]
Clément MARLIER, Arnaud VIDET, Nadir IDIR, « NIF-Based Frequency-Domain Modeling Method of ThreeWire Shielded Energy Cables for EMC Simulation », IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, early
access 2015
Clément MARLIER, Arnaud VIDET, Nadir IDIR, Houmam Moussa, Régis Meuret, « Hybrid Time-Frequency
EMI Noise Sources Modeling Method », in proc. EPE ’13-ECCE Europe, september 2013
Ke LI, Arnaud VIDET, Nadir IDIR, « Using Current Surface Probe to Measure the Current of the Fast Power
Semiconductors », IEEE Transactions on Power electronics, early access 2015
Ke LI, Arnaud VIDET, Nadir IDIR, « Multi-Probe Measurement Method for Voltage-Dependent Capacitances of
Power Semiconductor Devices in High Voltage », IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 28, n° 11, pp.
5414-5422, November 2013
Titre : High frequency modeling of a power conversion system for the reduction of electromagnetic perturbations
emitted toward the power supply network
Financement prévu : Contrat doctoral Université Lille 1 et Région Nord-Pas de Calais
Cofinancement éventuel :
(Co)-Directeur de thèse : Nadir IDIR
E-mail : [email protected]
Co-directeur de thèse : Arnaud VIDET
E-mail : [email protected]
Laboratoire : EA 2697 : Laboratoire d'Électrotechnique et d'Électronique de Puissance (L2EP)
Equipe : Électronique de puissance
Context
A power conversion system is typically composed of a power supply, a power electronics converter,
and an electromechanical actuator, which are interconnected by energy cables of a few dozen meters
long. Since the converter includes power semiconductors that switch faster than ever, electromagnetic
perturbations are emitted and propagate into the whole system, eventually looping back through the
power supply network. In order to avoid possible dysfunctions of neighbor electronic devices that are
connected on this network, electromagnetic compatibility (EMC) standards define maximum emission
levels of electromagnetic perturbations in a wide frequency range (up to several tens of megahertz). In
this regard, using numerical simulation to predict the emitted perturbations in the whole system should
make it possible to take into account the EMC constraints at the design stage of a power conversion
system. It would be especially useful to limit the large cost and volume impact of the EMC filters that
are usually necessary to meet the standards once a power system has been designed.
Objectives
The thesis work will start by a bibliographic study focusing on electromagnetic compatibility in power
electronics, especially in the context of high-switching-frequency converters with very short
commutation times. Using numerical simulations and experimental measurements, it will be necessary
to characterize the high-frequency behavior of the different devices that constitute a power conversion
system (grid, converter, cables, electric machine) when they operate in real conditions under several
constraints (temperature, current level). These data will serve in building high-frequency models in the
aim of predictive simulation of the perturbations in the whole system. The developed models will have
to be efficient in terms of simulation speed, but also accurate in a wide frequency range (until at least
50 MHz), in order to optimize a power conversion system that satisfies the EMC constraints.
Experimental validation of the proposed methodology will be carried out on a dedicated power
conversion system developed in the laboratory.
Scientific Context
In order to improve the power density and the energy efficiency of power converters, the current trend
is to significantly increase both switching frequencies and commutation speeds. As a drawback, this
constitutes electromagnetic noise sources which become very severe in high frequency. This problem is
even more important with the new semiconductor power devices that arrive on the market, using wide
bandgap materials such as silicon carbide (SiC) and gallium nitride (GaN). Indeed, their excellent
physical properties allow the design of highly efficient and high-power-density converters, at the cost
of a strong EMC impact. Thus, taking into account EMC constraints by means of high-frequency (HF)
modeling at the design stage is a major issue, with important criteria such as the frequency validity
range and the speed of numerical simulations, in the aim of optimizing the system EMC behavior. This
research work will be based on the recent laboratory developments on the HF modeling of propagation
paths [1] and noise sources [2], taking benefit from the measurement and characterization methods of
power devices [3, 4] for the parametrization of the sources models.
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Clément MARLIER, Arnaud VIDET, Nadir IDIR, « NIF-Based Frequency-Domain Modeling Method of ThreeWire Shielded Energy Cables for EMC Simulation », IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, early
access 2015
Clément MARLIER, Arnaud VIDET, Nadir IDIR, Houmam Moussa, Régis Meuret, « Hybrid Time-Frequency
EMI Noise Sources Modeling Method », in proc. EPE ’13-ECCE Europe, september 2013
Ke LI, Arnaud VIDET, Nadir IDIR, « Using Current Surface Probe to Measure the Current of the Fast Power
Semiconductors », IEEE Transactions on Power electronics, early access 2015
Ke LI, Arnaud VIDET, Nadir IDIR, « Multi-Probe Measurement Method for Voltage-Dependent Capacitances of
Power Semiconductor Devices in High Voltage », IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 28, n° 11, pp.
5414-5422, November 2013