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4.2 Modélisation des effets de peau et de proximité

4.2.4 Prise en compte de l’élévation de résistance en simulation circuit

Afin de réaliser le schéma électrique équivalent complet du TMF pour la simulation circuit avec

le convertisseur (étape de validation du design), il est nécessaire de prendre correctement en

compte la résistance des bobinages modélisant les pertes Joule. Cette résistance doit donc

nécessairement inclure le facteur d’élévation de résistance FR et c’est pourquoi on parle de

résistance AC RAC. Tous les modèles permettant de déterminer le FR donnent une valeur de ce

dernier pour une fréquence donnée. Si le courant qui traverse le bobinage est purement

sinusoïdal de fréquence f, alors la résistance RAC correspondante peut effectivement être

calculée directement par le produit du FR pour cette fréquence avec la résistance DC RDC.

Cependant, le courant circulant dans les bobinages est rarement sinusoïdal. On peut néanmoins

réaliser une décomposition en série de Fourier de ce courant non sinusoïdal pour obtenir les

différents harmoniques de courants avec leurs amplitudes et leurs fréquences associées. On peut

alors utiliser l’équation (79) pour calculer le FR global équivalent et donc la RAC correspondant

à ce contenu harmonique spécifique. Ceci est possible car les phénomènes mis en jeu sont

linéaires : les contributions de chaque harmonique sont indépendantes et peuvent être ajoutées.

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(79)

Cette formule est d’ailleurs utilisée dans l’outil de design pour déterminer la RAC globale

correspondant au point de fonctionnement nominal du TMF, ainsi que les pertes Joule

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associées. En revanche, cette méthode ne donne pas un modèle exploitable si l’on souhaite

réaliser une simulation circuit avec différentes formes d’onde de courant, autre que celle

obtenue au point nominal. Il faudrait alors recalculer la RAC correspondante pour chaque

contenu harmonique différent.

Une autre possibilité est de mettre en place une impédance équivalente ayant un comportement

fréquentiel imitant les effets de peau et de proximité de la courbe de FR en fonction de la

fréquence obtenue. Suite à une revue des méthodes existantes, le choix s’est porté sur la

méthode « Iterative Pole Relocation (IPR) » issue de [73], qui est présentée en détail en Annexe

4. Cette méthode cherche à identifier une fonction de transfert stable sous la forme pôle-résidus

pour modéliser la relation entre courant et tension établie par l’impédance RAC. Elle combine

les itérations de Sanathanan-Koener [74] avec le fait de relocaliser les pôles dans la partie stable

du plan complexe à chaque itération. On retrouve également ce principe de relocalisation dans

une autre méthode appelée « Vector Fitting » [75] [76] [77] [78], mais cette dernière requiert

un jeu de pôles initiaux puis un processus de convergence pour identifier les pôles voulus,

contrairement à la méthode retenue qui applique une résolution directe via moindres carrés

linéaires. Cette méthode est assez proche de celle présentée dans [79], à la différence que les

auteurs de cette dernière utilisent des polynômes orthogonaux et que la fonction de transfert

possède uniquement des paires de pôles.

D’autres types de méthodes, plus simples, existent mais se révèlent moins performantes ou

moins évidentes concernant l’identification des paramètres. On peut citer les circuits résistance

-inductance « en échelle » [80] [81] ou la détermination en ligne de l’épaisseur de peau [82].

Ces dernières sont particulièrement adaptées pour modéliser l’effet de peau, mais

nécessiteraient une adaptation pour prendre en compte l’effet de proximité, sans garantie de

résultats.

Pour tester et valider le modèle mis en place, une courbe de FR et une inductance de fuite Lf

issues d’un design de TMF ont été utilisées. Ensuite, la procédure de la méthode IPR décrite en

Annexe 4 a été appliquée, et les résultats comparant les données à la fonction de transfert

obtenue via méthode IPR sont présentés dans la Figure 86.

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Figure 86 : Résultats de la méthode IPR sur le cas test étudié

On peut voir que les courbes issues de la fonction de transfert obtenue sont très proches des

données, que ce soit pour la partie réelle (donc le facteur d’élévation de résistance FR) ou la

partie imaginaire (donc l’inductance de fuite Lf) avec une erreur relative maximale de 2% à très

haute fréquence. A noter que si les résultats sont affichés sous la forme FR et Lf, la fonction de

transfert modélise bien une impédance complexe avec la partie réelle représentant une

résistance et la partie imaginaire une réactance, toutes les deux s’exprimant en Ohm. Ce sont

ensuite les parties réelles et imaginaires de cette impédance qui sont normalisées pour parler en

termes de FR et de Lf afin de simplifier la lecture des résultats.

On remarque cependant que la figure de convergence est erratique, ce qui suggère que le

processus itératif ne donne pas une convergence stable. A la place, on obtient une erreur qui

varie fortement d’une itération à une autre, en alternant entre des erreurs faibles et des erreurs

fortes. Pour contourner ce problème, la meilleure solution sur de nombreuses itérations est

mémorisée au fur et à mesure, et c’est cette dernière qui sera retournée comme fonction de

transfert, plutôt que de choisir celle de la dernière itération. Cela pose tout de même des

questions quant à l’efficacité de la méthode IPR pour ce genre de problème, bien qu’en pratique

on arrive à une solution tout à fait acceptable. Rien ne garantit mathématiquement qu’une

solution sera trouvée, et définir a priori le nombre d’itérations nécessaire pour obtenir une bonne

solution n’est pas trivial. Pour améliorer la méthode, l’algorithme RKFIT récemment découvert

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venait à faire défaut pour modéliser la résistance AC et l’inductance de fuite d’un design de

TMF particulier.

Enfin, une simulation circuit basique est montée afin de valider l’implémentation du modèle en

langage VHDL-AMS [46]. Pour ce faire, on excite le composant avec une source de courant

trapèze riche en harmoniques, correspondant à la forme d’onde du design de TMF considéré.

Le schéma et les résultats sont disponibles sur la Figure 87.

Figure 87 : (a) Circuit de test. (b) Tension et courant aux bornes du composant.

On observe des formes d’onde de tension et de courant typiques d’une charge purement

inductive, ce qui est normal étant donné qu’à ces fréquences, supérieures à 20kHz, l’impédance

totale est majoritairement due à l’inductance de fuite Lf. La partie réelle ayant peu d’impact sur

les formes d’ondes, il est plus intéressant d’analyser les pertes pour vérifier le bon

fonctionnement du modèle. La simulation donne une puissance moyenne consommée par le

composant de 284.2 W, tandis que le calcul effectué durant le design (courbe de FR obtenue

analytiquement et harmoniques de courant correspondant au même signal trapézoïdal) donne

283.6 W. Les valeurs sont très proches avec moins de 0.5% d’écart, ce qui signifie que le

modèle représente bien les effets de peau et de proximité au sein d’une simulation circuit.

L’écart peut être expliqué par la discrétisation temporelle réalisée par le logiciel de simulation

circuit : la majorité des pertes supplémentaires étant localisées dans les montées et descentes

du courant, il faut un pas de temps très faible durant cette plage pour obtenir des formes d’ondes

très précises. Pour s’assurer de la bonne valeur des pertes, on peut réduire au fur et à mesure le

pas de temps minimal de la simulation jusqu’à obtenir une valeur constante pour les pertes. A

noter que le modèle est totalement compatible avec le pas de temps adaptatif du logiciel de

simulation circuit utilisé, ce qui permet de limiter fortement l’augmentation du temps de calcul

qui résulterait de l’utilisation d’un pas de temps fixe.