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Modélisation électromagnétique - Grenoble INP - G2Elab

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Modélisation électromagnétique

Modélisation électromagnétique et les outils de conception pour les composants passifs et systèmes

Les variations brutales des grandeurs électriques dues au découpage génèrent des perturbations électromagnétiques s’étendant du continu jusqu’à des fréquences très élevées. L’émergence des nouveaux semi-conducteurs « grand gap », à fort pouvoir perturbateur, rend ce problème encore plus crucial. Il est donc capital de maîtriser ces phénomènes, afin d’éviter soit des dysfonctionnements, soit des filtrages/blindages prohibitifs. Pour répondre à ces enjeux, l'équipe électronique de puissance a choisi de structurer sa démarche en deux parties. Initialement initiée pour traiter les convertisseurs statiques, la méthode et les outils développés ont largement dépassé ce cadre pour s’adapter à de nombreux dispositifs du Génie Electrique :
1. Développer une bonne connaissance des dispositifs

Pour mieux comprendre le fonctionnement d'un dispositif, que ce soit pour l'analyse des problèmes CEM intra convertisseur (auto-perturbation, surtensions, …) ou hors convertisseur (perturbations vers l’environnement), deux stratégies conjointes sont menées, l’une fondée sur la modélisation physique (pouvant être numérique ou analytique), et l’autre sur une approche expérimentale.

Les outils et méthodes classiques de modélisation électromagnétique en
basse fréquence sont mal adaptés à l'étude CEM, dont le spectre s’étend jusqu’à plusieurs centaines de MHz. Par ailleurs, les particularités des dispositifs rencontrés en électronique de puissance font apparaître une complexité géométrique tridimensionnelle, une hétérogénéité des matériaux avec une forte proportion d’air et des lois de comportement physique non linéaires. Les méthodes classiques haute fréquence ne sont donc pas plus adaptées. L'équipe a fait dès 1995 le pari de développer1 des méthodes adaptées à ces caractéristiques, optant pour les méthodes intégrales. Les succès actuels nous ont confortés dans ce choix ambitieux : nous sommes aujourd’hui parmi les rares équipes au monde à pouvoir modéliser des systèmes tels que des tronçons d’avion, intégrant la structure métallique, la peau composite et l’ensemble du câblage2. Pour cela, il est nécessaire de contourner des difficultés propres aux méthodes intégrales en employant des techniques de compression matricielle et en mettant en place des stratégies intelligentes d'intégration du noyau de Green.

Si la modélisation fine permet une bonne connaissance des dispositifs, les modèles obtenus ne sont pas toujours compatibles avec une utilisation des résultats au niveau système. Il est alors nécessaire de proposer des démarches de simplification. Cela se traduit par la recherche d'une réduction d'ordre des modèles numériques fins (par l'utilisation de sous espace de Krylov entre autre) mais également par la mise en place de modèles comportementaux. Les composants d’électronique de puissance visés actuellement sont les éléments passifs, en particulier les composants magnétiques, tous les dispositifs d’interconnexion (câblages, interconnexions de puissance, circuit imprimé, …) ainsi que les moteurs, dont le comportement haute fréquence est mal maîtrisé. Les sources de perturbations, constituées des semi-conducteurs en commutation associés à leur loi de commande font également l’objet de modélisations simplifiées3.

Bien au-delà de la CEM, cette expertise et ce savoir-faire de modélisation permettent également l’étude de dispositifs du génie électrique nécessitant une connaissance intime des phénomènes physiques, électromagnétiques, mécaniques, thermiques, … On peut citer par exemple les nouveaux principes de dégivrage des ailes d’avion.

En complément de ces approches de modélisation, la mesure offre un apport indispensable. Elle permet la compréhension des dispositifs, valide les modélisations mais sert également lors des phases d’identification de modèles. Le savoir-faire de mesure en CEM pour l’Electronique de Puissance, très spécifique en France, est restreint à quelques équipes. L’équipe a plus particulièrement développé une expertise sur les mesures conduites, en droite ligne de sa culture d’électronique de puissance. Concernant l’identification de modèles, le choix de la mesure d’impédance a été fait depuis de nombreuses années, et plus récemment, une méthode d’identification du champ magnétique proche, basée sur le développement multipolaire, a été développée en lien avec l’équipe Mage et le Laboratoire Ampere4.

Le positionnement de cet axe au niveau national est excellent, avec une très bonne synergie entre Ampère, G2Elab et le Satie, comportant des co-encadrements de thèse, des réponses communes aux appels d’offres. Au niveau international, l’équipe recueille une forte reconnaissance sur les méthodes de modélisation pour l'étude de la CEM en électronique de puissance5.
2. Optimiser les dispositifs

L'équipe a su mettre à profit son expertise de modélisation pour optimiser les composants élémentaires constituant une structure d'électronique de puissance, grâce à des modèles d’optimisation dédiés. L’application traditionnelle se situe au niveau des composants magnétiques utilisés pour le filtrage, qui sont en effet dimensionnés pour chaque cas d’application. Les outils proposés aujourd’hui sont utilisés quotidiennement chez Schneider-Electric pour le dimensionnement des inductances, permettant des gains importants en termes de performances et de temps de développement.

La connaissance accumulée sur le comportement électromagnétique des interconnexions a également été mise à profit pour utiliser les éléments parasites liés au câblage, afin d’améliorer le comportement de dispositifs. Ainsi, une partie du filtrage haute fréquence a pu être réalisée grâce aux capacités parasites intrinsèques d’un module de puissance. Par ailleurs, une optimisation du routage d’un filtre CEM a permis de gagner plusieurs dizaines de dB en terme d’atténuation, comparé à une solution conventionnelle6.

L’expertise développée depuis près de 30 ans dans la connaissance électromagnétique (et au-delà) des dispositifs d’électronique de puissance, a été possible grâce à des paris ambitieux sur le développement de modèles et d’outils associés, particulièrement adaptés aux composants traités. L’équipe dispose d’une solide assise permettant des approches de modélisation des dispositifs élémentaires, que ce soit pour l’analyse ou la conception. En revanche, ces approches ne permettent pas de traiter le comportement des convertisseurs connectés à un environnement réel. C’est un des défis qu’il faut maintenant aborder, en rupture avec les approches conventionnelles visant à modéliser toujours plus précisément les choses. Des modèles très simples de convertisseurs ont été proposés, adaptés au traitement de la CEM pour les réseaux. La complexité n’est alors plus dans la structure des modèles, mais dans les méthodes d’identification. Cette simplification des modèles permettra de mener des approches globales au niveau de l’analyse et de l’optimisation des réseaux embarqués.
1 En lien avec l’équipe MAGE (Axe 1)

2 A. Jazzar ; E. Clavel ; G. Meunier ; E. Vialardi, Study of Lightning Effects on Aircraft With Predominately Composite Structures, E.Electromagnetic Compatibility, IEEE Transactions on Publication Year: 2014 , Page(s): 1 - 8

3 B. Touré, JL. Schanen, L. Gerbaud, T. Meynard, R. Ruelland, J. Roudet, EMC Modeling of Drives for Aircraft Applications: Modeling Process, EMI Filter Optimization and Technological choice, IEEE Transactions on Power Electronics Vol 28 n°3, February 2013, pp 1145 - 1156

4 O. Chadebec, JL. Schanen, B. Vincent, K. Berger “Loop Antennas for near field multipolar expansion identification: first experimental validations”, IEEE transactions on Instrumentation and Measurement, vol 59 n°12, dec 2010, pp 3086-3092

5 Le résultat du Benchmark sur l’axe CEM place l’équipe dans le top 5 mondial en termes de nombre de publications. Copublications avec M.Bollen, Lüllea University of Technology, Echange de doctorants avec CPES Virginia Tech, USA, accueil d’un doctorant algérien (bourse PROFAS), cotutelle avec l’EMP d’Alger.

6 T.de Oliveira, JM. Guichon, JL. Schanen, L. Gerbaud, “Optimal stray magnetic couplings for EMC filters”, IEEE transactions on IAS July/August 2013, Volume: 49 Issue: 4, page(s): 1-11
 
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