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Chapitre 2 – Les modèles de dimensionnement pour les composants

2.4. Modélisation des inductances

2.4.7. Prise en compte de la saturation des tores magnétiques

2.4.7.1. Modèle de saturation des inductances de mode différentiel

(𝐿

𝑏𝑜𝑜𝑠𝑡

, 𝐿

𝑀𝐷,𝐴𝐶

, 𝐿

𝑀𝐷,𝐷𝐶

)

Les enroulements et les courants qui les traversent génèrent une excitation

magnétique 𝐻 au sein du tore. Le matériau du tore peut saturer si cette excitation est trop

grande. Alors, la perméabilité du matériau chute et diminue la valeur de l’inductance. Le

comportement d’une inductance est ainsi dépendant de son point de fonctionnement.

Chapitre 2 97

Nous rappelons que la saturation est prise en compte au travers de (𝐻) dans la

formulation de

𝐿

(cf. partie 2.4.4.2) :

𝐿

0

(𝐻)

𝑒

𝐿

𝑒

Pour les inductances de mode différentiel, du filtre CEM côté DC, nous allons

estimer la saturation du tore avec le courant continu 𝐼

𝐷𝐶

.

Pour les inductances de boost et de mode différentiel du filtre CEM côté AC, la

réalité est plus complexe. Le courant étant variable en basse fréquence (400 Hz), le niveau

de saturation l’est aussi. L’inductance varie donc au cours du temps. Des travaux

[Ibrahim–16] arrivent à prendre ce phénomène en compte.

Cependant, pour différentes raisons, nous n’avons pas mis un tel degré de

précision dans notre modélisation.

Tout d’abord, notre simulation de référence qui sert à valider nos calculs,

notamment en CEM, ne prend pas ce phénomène en compte. Afin de rester cohérent avec

notre moyen de vérification, nous allons considérer des inductances aux valeurs fixes.

Ensuite, nous sommes dans une démarche de préconception dans laquelle nous

essayons d’utiliser une approche globale par optimisation. Pour cela, nous ne voulons pas

trop alourdir les différents modèles afin de garder une convergence acceptable en

optimisation globale. Ici, l’estimation de l’inductance au cours du temps (en fonction du

courant, qui dépend lui-même de l’inductance) est un problème implicite nécessitant une

résolution relativement conséquente, qui diminuerait nettement la rapidité et la

convergence de nos optimisations.

Pour ces raisons, nous avons simplifié le comportement complexe des

inductances de mode différentiel, du côté alternatif, en fixant leur valeur à celle calculée

avec la saturation au courant crête 𝐼̂

𝐴𝐶

. En réalité, lorsque le courant est en-dessous de 𝐼̂

𝐴𝐶

,

la valeur de l’inductance est plus grande ; et lorsque le courant dépasse 𝐼̂

𝐴𝐶

(à cause des

ondulations de courant), l’inductance est plus faible.

Nous commençons par calculer l’excitation 𝐻 correspondant au courant 𝐼 (𝐼

𝐷𝐶

ou

𝐼̂

𝐴𝐶

) :

𝐻 𝑁 𝐼

𝐿

𝑒

Chapitre 2 98

Ensuite, pour calculer la saturation, la datasheet MAGNETICS [Magnetics] fournit

les équations définissant le pourcentage de perméabilité, en fonction de 𝐻, pour chaque

perméabilité de sa gamme.

Dans notre cas, comme toutes les perméabilités sur l’intervalle [ ; ] sont

possibles, nous avons dû extrapoler la chute de perméabilité

%

en fonction de 𝐻 et de .

Pour cela, nous nous sommes basés sur la loi correspondant au matériau de perméabilité

, et nous avons utilisé une règle de trois : au lieu de

𝐻

00

(car la datasheet utilise 𝐻

en /𝑐𝑚), nous mettons

𝜇

60 𝐻

00

. Nous obtenons le pourcentage de perméabilité

%

en

fonction de et 𝐻:

%

( , 𝐻) 9,

(

𝐻

) − ,

−5

(

𝐻

)

2

, 9

−7

(

𝐻

) − ,9

− 0

(

𝐻

)

Afin de valider cette loi, nous comparons son allure selon 𝐻, aux différentes

perméabilités du catalogue, sur la figure 2.25.

Figure 2.25 - Validations de l’estimation de la chute de perméabilité en fonction de H,

extrapolée selon μ

Les écarts entre l’approximation et les lois données par la datasheet sont

acceptables.

Ainsi, pour le calcul de l’inductance par spire

𝐿,𝑀𝐷

des inductances de mode

différentiel, (𝐻) est égal à

%

( , 𝐻) :

Chapitre 2 99

𝐿,𝑀𝐷

0

%

( , 𝐻)

𝑒

𝐿

𝑒

2.4.7.2. Modèle de saturation des inductances de mode commun

(𝐿

𝑀𝐶,𝐴𝐶

, 𝐿

𝑀𝐶,𝐷𝐶

)

Nous rappelons que les inductances de mode commun sont bobinées de sorte à

annuler les courants de mode différentiel. Bien que les courants de mode commun soient

très faibles face au mode différentiel, ils peuvent suffire à saturer le matériau, du fait de

sa forte perméabilité.

Nous voulons fixer les contraintes pour empêcher les tores de mode commun de

trop saturer, afin de garantir leur efficacité en utilisation.

Nous avons tenté des modélisations analytiques à l’aide de l’approche

fréquentielle (cf. partie 3.4.2), pour déduire l’amplitude des courants de mode commun.

Cependant, nous n’avons pas réussi à trouver un modèle satisfaisant, validé par les

simulations, en partie parce que retrouver l’amplitude maximale d’un signal à partir de

son contenu spectral est un problème complexe, et potentiellement très couteux en temps

de calcul.

Suite à cela, nous nous sommes rabattus sur des considérations beaucoup plus

simples, mais nous éloignant de la réalité physique, de la finesse de modélisation, et donc

de dimensionnement plus optimaux de nos inductances de mode commun. Nous avons

fait une constatation en simulation temporelle : il est rare que les courants de mode

commun dépassent les 0,5 A dans notre système. Nous avons donc choisi de nous placer

à cette valeur critique de courant de mode commun pour estimer le champ magnétique

𝐵

𝑀𝐶

dans un tore de mode commun.

𝐵

𝑀𝐶

𝐿

𝐶𝑀

.

𝑁

𝑒

𝑇

Ainsi, nous allons contraindre ce champ à être inférieur à 1 Tesla, en optimisation,

afin de rester dans la zone linéaire du matériau, i.e. pas ou peu de saturation. Cette limite

est visible dans leur datasheet, sur le graphique reproduit sur la figure 2.26.

Chapitre 2 100

Figure 2.26 - Caractéristiques B(H) pour différentes perméabilités de Vitroperm500

Il faudra donc vérifier a posteriori que les courants crêtes de mode commun ne

dépassent pas les 0,5 A en simulation temporelle, pour nos résultats d’optimisation. Cette

approche est certes critiquable, mais aucune autre n’a été fructueuse dans le cadre de

cette thèse, où nous privilégions des méthodes analytiques et des temps de calcul

acceptables.