Chapitre 3 – La Compatibilité Electromagnétique (CEM) en
3.2. Topologie des filtres CEM et procédure classique de dimensionnement
3.2.2. Topologie des filtres CEM, dans la base MD et MC
Suite à ces rappels de base sur le filtrage, nous passons maintenant à l’analyse de
notre convertisseur. Pour cela, nous considérons son circuit, avec le remplacement des
IGBT par les sources équivalentes de perturbations que nous avons introduites en partie
3.1.3. Nous montrons ce circuit sur la figure 3.14.
Chapitre 3 133
𝑅
𝐿𝑅
𝐿Figure 3.14 - Schéma du convertisseur, avec remplacement des IGBT par les sources
équivalentes de perturbation
Dans la norme DO160 que nous considérons, l’impédance des RSIL vaut 50 Ω,
quelle que soit la fréquence. C’est pourquoi, nous considérons une simple résistance
idéale de 50 Ω, pour chaque branche de RSIL. Pour cette étude, nous ne considérons pas
les éléments parasites des inductances de boost et de la capacité du bus DC, pour obtenir
la topologie des filtres.
Nous allons étudier notre convertisseur en le considérant du point de vue du mode
différentiel, puis du mode commun, pour trouver la topologie de nos filtres CEM.
3.2.2.1. Topologie du filtre CEM, côté DC
Filtre de mode différentiel
Du point de vue des perturbations de mode différentiel, nous négligeons les
chemins liés à la terre. Nous pouvons simplifier notre circuit de la figure 3.14 par le circuit
présenté sur la figure 3.15.
Chapitre 3 134
∗ 𝑅 𝐿
Figure 3.15 - Circuit simplifié pour l'étude en mode différentiel du côté DC
Le condensateur du bus DC est une forte valeur de capacité. Ainsi, nous obtenons
un générateur de Thévenin équivalent, avec une faible impédance d’entrée (𝑍
∗
).
L’impédance ∗ 𝑅
𝐿peut être considérée comme forte. Nous nous trouvons
dans le 3
ecas de la partie 3.2.1.
Ainsi, nous plaçons un filtre de mode différentiel du second ordre, comme illustré
sur la figure 3.16.
∗ 𝑅 𝐿
Figure 3.16 - Topologie du filtre de mode différentiel, côté DC, dans la représentation en
mode différentiel
Cependant, la décomposition sur la base MD/MC repose sur l’hypothèse que les
lignes sont symétriques [De Oliveira-12]. Donc, il est nécessaire de symétriser notre filtre.
Pour cela, nous utilisons la topologie décrite sur la figure 3.17.
Coté perturbation Coté réseau
Chapitre 3 135
Filtre de mode commun
Du point de vue des perturbations de mode commun, nous court-circuitons le
mode différentiel, ce qui fait disparaitre la source de courant de la figure 3.14. Nous
pouvons simplifier ce circuit comme présenté sur la figure 3.18. La source de tension de
mode commun
correspond à la somme des trois sources de tension.
𝑅 𝐿
∗
∗
+ +
Figure 3.18 - Circuit simplifié pour l'étude en mode commun du côté DC
L’impédance de l’association de capacités est assez forte, car les différentes
capacités parasites C
p,ACet C
p,DCsont de très faibles valeurs. L’impédance du RSIL pourrait
être considérée comme relativement forte aussi (25 ). Une capacité Cy en parallèle
pourrait être suffisante. Cependant, comme nous l’avons vu dans le chapitre des modèles
de dimensionnement, les capacités Cy sont limitées en valeur par des normes. Ainsi, nous
ajoutons une inductance côté RSIL pour assurer un filtrage satisfaisant, malgré la valeur
relativement faible de Cy.
Nous obtenons la structure décrite sur la figure 3.19, ce qui correspond au cas n° 4
de la partie 3.2.1.
𝑅
𝐿∗
∗
Figure 3.19 - Topologie du filtre de mode commun, côté DC, dans la représentation en
mode commun
Nous devons repasser cette structure dans la représentation circuit classique, tout
en respectant la symétrie des lignes. Nous utilisons pour cela une inductance de mode
Chapitre 3 136
commun, i.e. une inductance couplée dont les sens d’enroulements permettent
l’annulation des flux de mode différentiel, afin de gagner de la masse.
Nous obtenons la topologie décrite sur la figure 3.20.
parfaitement
couplée
Côté réseau
Côté perturbations
Figure 3.20 - Topologie du filtre de mode commun, côté DC
3.2.2.2. Topologie du filtre CEM, côté triphasé
Le circuit de la figure 3.14 montre que les perturbations générées vers le réseau
AC proviennent essentiellement des trois sources de tension, la source de courant se
rebouclant naturellement côté DC avec le condensateur d’entrée de faible impédance. Ce
circuit équivalent CEM avec une seule source de tension pour générer l’ensemble des
perturbations a déjà été présenté dans le cas d’un convertisseur boost en continu
[Jourdan-02], et s’applique ici dans le cas du triphasé avec une source de tension par
phase. Ainsi, nous allons négliger le côté DC de notre convertisseur pour la suite de
l’analyse, hormis les capacités parasites des IGBT côté DC,
, reliées à la terre, qui font
partie du trajet de rebouclage du mode commun.
Filtre de mode différentiel
Du point de vue des perturbations de mode différentiel, nous négligeons les
connexions à la terre. Nous obtenons le premier circuit illustré sur la figure 3.21. Comme
nous sommes dans un système triphasé équilibré, nous considérons que les nœuds de
jonction en étoile sont des neutres « artificiels », aux mêmes potentiels. Ainsi, pour une
phase, nous obtenons le deuxième circuit de la figure 3.21.
Chapitre 3 137
𝑅
𝐿
Neutres artificiels, non reliés à la terre
𝑅
𝐿Figure 3.21 - Circuit simplifié pour l'étude du mode différentiel, côté AC
L’impédance côté source est plutôt forte (inductance du Boost) et celle du RSIL
peut être considérée comme forte également (50 ). Nous nous trouvons en présence du
1
ecas présenté dans la partie 3.2.1. Nous ajoutons donc une capacité
en parallèle,
comme présenté sur la figure 3.22.
𝑅 𝐿
Figure 3.22 - Premier élément de filtrage par la capacité
Cependant, les performances de cette capacité en lien avec l’inductance de boost,
qui n’est pas réalisée pour du filtrage CEM (bande passante limitée à cause de la capacité
parasite, cf. partie 2.3.8), sont assez limitées. Il est courant de rajouter un étage de filtrage
supplémentaire [Hartmann-11].
Ainsi, nous rajoutons un filtre (L, C) supplémentaire. Nous obtenons la topologie
décrite sur la figure 3.23.
𝑅 𝐿
Figure 3.23 - Topologie du filtre de mode différentiel, côté AC, dans la représentation en
mode différentiel
Chapitre 3 138
Par simplification, nous choisissons de prendre des valeurs égales pour les deux
capacités Cx, pour avoir un degré de liberté en moins à gérer en optimisation.
Nous avons calculé l’atténuation de ce filtrage, dont nous donnons un exemple sur
la figure 3.24.
∗ 𝜋 ∗ ∗
∗
∗ 𝜋 ∗
∗
Pente à 40 dB/décade
Pente à 80 dB/décade
Fréquence (Hz)
Figure 3.24 - Atténuation du filtrage de mode différentiel
Nous retrouvons la superposition de deux filtres du second ordre. Nous avons
calculé les expressions de leur fréquence de coupure respective et nous les avons
indiquées sur la figure 3.24.
En redessinant notre structure sur les trois lignes, nous obtenons la topologie
finale du filtre de mode différentiel, côté triphasé, illustrée sur la figure 3.25.
Chapitre 3 139
Filtre de mode commun
Du point de vue des perturbations de mode commun côté AC, le schéma n’est pas
très différent du mode différentiel, si ce n’est que le point commun des trois branches du
RSIL est maintenant clairement relié à la terre et que nous considérons les capacités
parasites de mode commun, sur chaque phase (
) et au niveau du bus DC (
). Nous
obtenons le circuit illustré sur la figure 3.26.
𝑅
𝐿
Figure 3.26 - Circuit simplifié pour l'étude du mode commun, côté triphasé
À présent, nous allons passer ce circuit dans la base de mode commun. Pour cela,
nous remplaçons les trois sources de tension par la source des perturbations de mode
commun, qui est égale à la somme des trois sources. Ensuite, nous mettons les éléments
des trois phases en parallèle et nous obtenons le circuit de la figure 3.27.
∗
𝑅
𝐿
+
+
∗
Chapitre 3 140
L’association de l’inductance de boost avec les différentes capacités parasites nous
donne une impédance assez forte. L’impédance globale des RSIL en parallèle est d’environ
17 et peut éventuellement être considérée comme forte.
Nous nous retrouvons dans le 1
ecas de la partie 3.2.1. Nous ajoutons donc une
capacité
en parallèle. Cependant, les capacités sont limitées par des normes (cf.
partie 2.5.1) et l'impédance du RSIL n'est pas vraiment forte, ainsi nous ajoutons une
inductance de mode commun
pour renforcer l’impédance côté RSIL. Nous
obtenons la topologie illustrée sur la figure 3.28.
∗
𝑅
𝐿∗
Figure 3.28 - Topologie du filtre de mode commun, côté AC, dans la représentation en mode
commun
Nous pouvons observer que nous avons un premier étage de filtrage par
l’association (
,
||
). Cependant, comme cela a été dit précédemment, la
réalisation de l’inductance de boost n’est pas adaptée à la CEM. Et les valeurs des capacités
parasites
et
sont très faibles. Ainsi, nous négligeons cet étage de filtrage dans
le calcul de l’atténuation de notre topologie.
L’atténuation de cette structure correspond au 4
ecas de la partie 3.2.1.
Pour la transposition au circuit réel, en symétrisant sur les trois lignes, nous allons
utiliser une inductance de mode commun triphasée. Concernant la capacité
, nous
utilisons le fait que nous ayons des capacités
en étoile qui forment un neutre
artificiel. Grâce à cela, nous ajoutons une seule capacité
, reliée au point de jonction.
Nous obtenons la topologie finale présentée sur la figure 3.29.
Chapitre 3 141
Côté perturbations Côté réseau
Figure 3.29 - Topologie du filtre de mode commun, côté triphasé
L’inductance de mode commun étant supposée parfaitement couplée ( 𝑀),
celle-ci vaut ∗
sur chaque phase. Si nous passons dans la représentation en mode
commun de la figure 3.28, la mise en parallèle des trois phases nous donne bien la valeur