Du fait de l’étendue spectrale de l’IEMN-HA, l’impulsion rayonnée se couple de manière privilégiée sur les lignes aériennes de distribution en électricité qui alimentent les habitations, comme présenté sur la figure1.44. Bien que l’enfouissement des lignes de distribution soit de plus en plus courant dans les villes, une grande partie du réseau français, environ 68 %, reste aérien. Par ailleurs, l’IEMN peut également se coupler et perturber directement l’alimentation électronique ou l’équipement, mais ce scénario n’est pas abordé dans cette thèse.
Figure 1.44 – Scénario général de la thèse
Le couplage de l’impulsion électromagnétique rayonnée sur les lignes aériennes engendre une contrainte (courant / tension) conduite sur ces dernières. Le problème est que ces tensions conduites peuvent atteindre jusqu’à 1 MV en mode commun avec un temps de montée de quelques dizaines de nanosecondes et une largeur d’impulsion de quelques centaines de nanosecondes [61].
La contrainte ainsi conduite, se propage ensuite jusqu’à l’intérieur des habitations à travers les câbles et rencontre, dans un premier temps, les tableaux de protection électrique (compteurs, disjoncteurs, etc.). Étant donné que la perturbation ne dure que quelques centaines de nanosecondes, ces protections n’ont pas le temps de se déclencher. Généralement, un disjoncteur réagit au bout de plusieurs dizaines de millisecondes. Ainsi, les alimentations des équipements électroniques sont les premiers systèmes à être impactés par l’impulsion, comme décrit sur la figure 1.44. Elle perturbe donc, voire détruit, de manière privilégiée les alimentations [74] et les équipements électroniques connectés sur le réseau de distribution. Un exemple de destruction d’une alimentation est présentée sur la figure 1.45.
Figure 1.45 – Exemple de destruction d’une alimentation électronique
Dans la majorité des cas, comme mentionné dans [62] notamment, les câbles constituent le moyen le plus efficace pour transporter de l’énergie potentiellement dommageable dans les équipements. De même, il a été montré lors d’études précédentes réalisées en interne au CEA/Gramat que, sur des équipements alimentés, le mode conduit est prédominant et le plus destructeur pour les alimentations.
Par conséquent, cette thèse se concentre sur les alimentations électroniques et leur destruction face à une contrainte conduite, issue du couplage de l’IEMN sur le réseau de distribution. Le premier objectif est de définir les composants détruits lors d’une injection d’un fort courant en entrée de l’alimentation et de comprendre les phénomènes régissant ces destructions. Finalement, l’objectif global est de modéliser le comportement des alimentations étudiées lorsqu’une contrainte IEMN conduite est injectée à leur entrée.
Le travail de recherche proposé comprend donc plusieurs parties listées ci-dessous :
•
étude d’alimentations grand public pour en concevoir une à étudier, entièrementDesigned Power Supply,
•
prise en main et modélisation d’un moyen unique d’injection de courants forts niveaux représentatifs de l’IEMN-HA couplée sur des lignes aériennes,•
analyse des moyens métrologiques afin de mesurer des courants et des tensions de forts niveaux au sein de l’alimentation étudiée et dans un environnement électromagnétique bruité,•
développement de modèles de composants retranscrivant le comportement observé lors d’une injection d’IEM,•
analyses physiques de composants détruits afin d’en comprendre la destruction. Par ailleurs, lors des ces travaux de thèse, de nombreuses alimentations électroniques ont été détruites afin d’aboutir à la compréhension des phénomènes de destruction d’une alimentation à découpage. Concernant ces expérimentations, des essais préliminaires ont été réalisées sur des alimentations grand public et sur des alimentations « DPS », en mode commun et également en mode différentiel. Ces essais ont permis de comparer les résultats de destruction des deux catégories d’alimentations et également des deux modes d’injection. Dans la suite, des essais de destruction ont été réalisés uniquement en mode différentiel et la compréhension des mécanismes de défaillances a été réalisée dans ce mode. En effet, bien que le mode commun soit le plus destructeur, le mode différentiel est le mode de propagation usuel du courant dans tout système électrique. Par conséquent, dans un premier temps, il était plus aisé d’aborder et de comprendre des destructions dues à une perturbation se propageant en mode différentiel. L’objectif de la thèse étant avant tout de valider une démarche permettant d’aboutir à la compréhension de la destruction complète d’une alimentation lors d’une injection de courant de fort niveau. Une fois la démarche validée en mode différentiel, elle pourra être appliquée en mode commun lors d’une étude future.Conclusion
Ce chapitre introduit des notions sur les perturbations électromagnétiques, en classant et en détaillant notamment les principales sources pouvant perturber voire détruire de nombreux systèmes électroniques. Différentes méthodes de classement des effets des IEM sur ces derniers sont également présentées. La menace de l’IEMN-HA est détaillée, son origine est expliquée et l’importance de la menace à l’échelle d’un pays voire d’un continent est mise en lumière. Il est notamment présenté que l’IEMN-HA se couple de manière privilégiée sur les lignes aériennes de distribution en électricité. Les premiers systèmes
rencontrés sont les alimentations des équipements électroniques. L’intérêt d’étudier le mode conduit plutôt que le mode rayonné est prouvé, car des études exposent que le mode conduit est le plus destructeur pour des équipements électroniques alimentés. L’alimentation étant l’entrée de tout équipement électronique, il est naturel de s’orienter vers l’étude de ce système. Par ailleurs, la bibliographie démontre l’impact important, de perturbation voire de destruction d’un système, d’une impulsion en mode commun par rapport à une impulsion en mode différentiel. Malgré tout, la compréhension des phénomènes de destruction de l’alimentation test « DPS », conçue pour la thèse, a été réalisée en mode différentiel afin de valider la démarche utilisée sur un mode qui est, a priori, plus facilement compréhensible. Enfin, une discussion sur les études existantes de susceptibilité face aux IEM et face à l’IEMN-HA en particulier est effectuée. Il est montré que peu d’études publiques sont présentes sur la susceptibilité d’équipements électroniques de manière générale et peu, voire pas, sur les alimentations à découpage face à l’IEMN. Cet état de l’art justifie donc l’intérêt d’étudier la vulnérabilité des alimentations à découpage face au résultat du couplage d’une IEMN-HA sur une ligne aérienne de distribution en électricité. Néanmoins, cette analyse bibliographique permet de tirer des conclusions intéressantes, notamment sur l’instant de la synchronisation de l’injection de l’impulsion sur le signal sinusoïdal d’alimentation du secteur, mais aussi sur les composants qui sont le plus souvent détruits dans les alimentations lors de ces essais. En effet, lors des futures expérimentations, il faudra probablement s’attendre à voir des éléments du filtre d’entrée être endommagés ou, de manière plus systématique, des diodes du pont redresseur, des condensateurs de filtrage ou le transistor de découpage.
Présentation de la configuration
expérimentale
Sommaire
Introduction . . . . 48 2.1 Détails sur les alimentations électroniques . . . . 48
2.1.1 Alimentations à découpage . . . . 48
2.1.2 Différents modes de fonctionnement et de contrôle . . . . 53
2.1.3 CEM des alimentations à découpage . . . . 57
2.2 Études préliminaires pour choisir l’alimentation test . . . . 59
2.2.1 Étude des topologies . . . . 60
2.2.2 Étude des composants . . . . 63
2.3 Conception de l’alimentation test et validation. . . . 66
2.3.1 Choix des composants . . . . 66
2.3.2 Routage . . . . 67
2.3.3 Validation par des mesures . . . . 68
2.4 Présentation du moyen d’injection PIC . . . . 71
2.4.1 Environnement global . . . . 71
2.4.2 Principe de fonctionnement . . . . 74
2.4.3 Formes possibles . . . . 75
Introduction
Dans le cas d’une explosion nucléaire à haute altitude, des courants parasites peuvent être générés sur les conducteurs du réseau électrique des bâtiments. Ces courants peuvent alors perturber, voire détruire, les alimentations des systèmes électroniques branchés sur les prises du réseau.
L’objectif de la thèse est de comprendre les phénomènes de destruction d’alimentations mais, au vu du nombre important de types d’alimentations électroniques, il a été décidé de restreindre les essais à une seule alimentation test. Le choix de l’alimentation doit donc être pertinent vis-à-vis de toutes les alimentations grand public présentes sur le marché actuel. Il est donc nécessaire de mener des analyses sur ces alimentations.
Par conséquent, la première partie de ce chapitre présente des caractéristiques sur les alimentations à découpage, avec notamment la présentation des divers types et les différents modes de fonctionnement et de contrôle. La CEM de ce type d’alimentation est abordée dans cette même partie. La deuxième partie consiste à étudier les topologies d’alimentations à découpage les plus utilisées à l’heure actuelle, et les composants les plus présents, en termes de dimensionnement et de technologie. Cette partie a pour but de cibler une topologie et des composants afin de concevoir une alimentation cohérente et représentative de la majorité des alimentations grand public. La conception de cette alimentation (choix des composants, routage et validation fonctionnelle par des mesures) est présentée dans la troisième partie. Finalement, afin d’identifier les seuils de destruction d’alimentations électroniques, un générateur paramétrable de perturbations conduites, appelé PIC (Plateforme d’Injection en Courant), est utilisé dans cette thèse. La dernière partie du chapitre consiste donc à présenter PIC avec notamment son environnement, son principe de fonctionnement et les formes générées possibles.