Etude et prise en compte des couplages inter composants dans la conception des filtres utilisés dans les applications automobiles

Frédéric LAFON – EMC Senior Expert – VALEO Creteil

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Le 12/09/14

CONTEXTE

VALEO propose, en collaboration avec l’IETR (site ESEO Angers) un stage (Bac+5), qui prépare le candidat à une thèse sur la même thématique. Ce document décrit la thématique et le périmètre du stage. Un intérêt sérieux pour la thèse est requis de tout candidat stagiaire.

Valeo est un équipementier automobile qui développe des produits électroniques pour différentes applications du domaine électronique. Parmi celles-ci on peut citer les convertisseurs DC/DC, les inverters pour véhicule électrique et hybrides, les moteurs d’essuyage, les calculateurs d’habitable, les caméras… Le point commun à tous ces systèmes, est qu’ils doivent respecter des exigences sévères en termes de CEM (compatibilité électromagnétique), et en particulier pour ce que l’on appelle l’émission. Lorsque qu’un équipement électronique est en fonctionnement, toutes les variations de courant et de tension qui peuvent y être générées par sa simple fonctionnalité (PWM, horloge, signaux de communication…) représentent des sources de perturbation dont le niveau toléré sortant de l’application est réglementé. Afin de tenir ces objectifs, nous devons implémenter des filtres optimisés en termes de performance et de coût.

L’objectif des travaux que nous proposons est de contribuer à atteindre ces objectifs en s’appuyant sur une approche innovante.

ETAT DE L’ART

Les filtres dont nous parlons ici sont basés sur des condensateurs, inductances et inductances de mode commun. Cependant ces filtres devant agir sur une large gamme de fréquence (nous viserons la centaine de MHz pour nos travaux), nous devons tout d’abord considérer que ces composants ne sont pas idéaux sur cette gamme de fréquence, et que des éléments parasites vont modifier leurs comportements HF (haute fréquence). Ainsi un condensateur doit être modélisé par un circuit RLC série par exemple pour bien reproduire les effets de ses connections (inductances parasites) et modifiant ainsi son impédance (et l’atténuation que l’on peut obtenir) comme sur l’exemple ci-dessous.

2

50 50

0 0CAP_CERAMIC_X7R

0

VDB

Pour aller plus loin dans la conception des filtres nous nous sommes aperçu que lorsque les composants sont proches les uns des autres, ils peuvent interagir et également modifier la performance d’un filtre. Si nous prenons l’exemple d’un filtre de type LC, ce couplage est intégré dans la modélisation avec le coefficient de couplage noté M, correspondant à la mutuelle inductance existant entre l’inductance L et l’inductance parasite du condensateur. En jouant sur les positions relatives de ces deux composants on joue alors sur ce coefficient.

Les conséquences sur la réponse du filtre sont impressionnantes comme l’illustre les résultats ci-dessous :

Plusieurs travaux ont été réalisés pour modéliser et prédire ces effets… et surtout pour être capable d’optimiser nos filtres en exploitant ce phénomène. Des démonstrateurs ont permis de valider ces travaux et d’obtenir des résultats très intéressants. Le cas ci-dessous illustre le gain sur l’efficacité d’un filtre lorsque la distance entre l’inductance et le condensateur sont optimisés.

Optimal M: M = ESL

TRAVAUX PROPOSES

Les travaux menés jusqu’à présent se sont focalisés sur les filtres de type LC simples. Nous souhaitons désormais développer les démarches et outils permettant de considérer des structures plus complexes, tels que les filtres utilisés pour les applications de puissance. Ces filtres vont utiliser généralement entre 4 et 6 condensateurs (Mode commun + mode différentiel), 1 tore de mode commun, et 1 ou 2 inductances. L’optimisation de ce type de filtre en souhaitant prendre en compte ces phénomènes de couplage devient alors complexe.

Dans un premier temps un stage est proposé pour réaliser l’étude bibliographique existante sur les filtres de type LC et de développer des approches analytiques permettant de pré dimensionner ce type de filtre. L’intérêt des approches analytiques sera évidemment la rapidité de calcul comparée à la simulation numérique, qui restera cependant un outil clé dans nos travaux.

Dans le cadre de ce stage, plusieurs approches seront étudiées dans l’optique d’avoir une base validée permettant d’envisager les filtres complexes… approches analytiques seules ou bien couplées avec simulateurs magnétiques de type FEMM, FastHenry etc. Des maquettes seront alors développées afin de pouvoir également les mesurer et valider les nouvelles orientations qui seront la base de la thèse qui suivra ce stage.

THESE

La thèse proposée sera une CIFRE en partenariat avec l’ESEO avec un démarrage en Septembre 2015.

L’objectif sera de généraliser l’approche choisie pour la conception des filtres complexes.

Ces travaux de recherche seront capitalisés sous la forme d’un outil à développer sous Matlab et qui devra permettre de traiter des cas d’application concrets. En comparant systématiquement les

50 dB

First filter Optimized filter

études théoriques à des mesures sur les maquettes qui seront développées, nous pourrons alors réaliser des implémentations sur des projets Valeo qui correspondront à l’objectif ultime de la thèse.

Le sujet plus précis sera défini durant la période de stage en fonction des orientations choisies et validées.