1 - AEMC
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CEM des convertisseurs PARIS - Mercredi 23 Mars 2005 - Alain CHAROY AEMC - Hyper & RF 2005 - CNIT La Défense - [email protected] Introduction Immunité en mode différentiel Émission en mode différentiel Émissions en mode commun Champs électromagnétiques Mode Commun & Mode Différentiel IMC 2 IMC Équipement 2 UMC MODE COMMUN Masse (châssis) IMD IMD UMD MODE DIFFÉRENTIEL Équipement Les 5 perturbations générées par un convertisseur 5 ENTRÉE ZC2 ZC1 3 UMD UMD Z 1 Conducteur PE 2 châssis conducteur 1 2 3 4 5 Mode Commun Entrée-à-Chassis Mode Commun Entrée-à-Sortie Mode Différentiel en Entrée Mode Différentiel en Sortie Rayonnements électromagnétiques (E & H) 4 SORTIE Comment mesurer les courants de MC & MD ? ICM 2 Current probe (Clamp) ICM 2 CM current measurement ICM IMD IMD Mesure de courant MD 2.IMD Bruit typique d’un convertisseur de 5 kVA filtré RTCA DO160D Power lines category B MODE DIFFERENTIEL MODE COMMUN Fréquence Comment mesurer une tension perturbatrice ? 50 µH 250 µH Ligne EST Vers analyseur de spectre ou charge 50 220 nF 8 µF Bleeder 100 k 1 µF 1 k 5 Plan de masse RSIL CISPR 50 // (50 µH + 5 ) 100 Impedance RSIL RSIL 50 µH 50 RSIL 5 µH 10 6 10 kHz 100 kHz 1 MHz 10 MHz 30 MHz Un point clé: l’impédance dynamique de commutation k k 1 = Z = Z Z Z = = 1 10 10 0 M 100 kV k U = 1 M W kW kW Le Champ E domine: Réduire les capacités parasites Limier longueurs à fort U/ t Choisir de faibles r (air !) Mettre des circuits en série 1 10 = = P P 1 kV Circuits en série P 0 10 10 = = P P 10 kV W kW 0 100 V P 1 10 = = P W W 0. = U diode critique Z Z Sévérité croissante 1 = 1 10 = Z Z = 10 0 10 V 1V 10 mA Sévérité croissante Zone à haute impédance 100 mA 1A 10 A 100 A 1000 A Tout circuit de enCircuits parallèle commutation devrait être analysé ainsi… I Zone à basse impédance Le Champ H domine: Réduire ESR et ESL Limiter boucles à fort I/ t Choisir structures «sandwich» Mettre des circuits en parallèle Introduction Immunité en mode différentiel Émission en mode différentiel Émissions en mode commun Champs électromagnétiques L’immunité à la tension d’alimentation Nouvelles limites en tension Nouvelles valeurs: points rouges Anciennes tolérances en tension Durée de la perturbation Cycles (c) et Secondes (s) 106 90 Tolérance en tension (enveloppe) 200 s 1 ms 3 ms 20 ms 0.5 s 10 s Steady State Surtension à l’enclenchement Pulsation propre : 0 = 1 L.C Facteur de Qualité : Q = L R Uin L.0 R Uout C 2 Réponse en temps 1.8 ( Uin = 1 ) Q = 10 1.6 Q=5 1.4 Q=2 1.2 1 0.8 Q=1 0.6 Q = 0.7 0.4 Q = 0.5 0.2 0 0 1 2 3 0.t 4 5 6 7 Où installer un limiteur de surtensions en M. D. ? Tension crête résiduelle : kV Surtension : kV Ligne d’alimentation Filtre CEM CONVERT. Sans limiteur : fort risque de destruction Tension crête résiduelle 800 V !… Tension écrêtée 500 V MOV Filtre CEM CONVERT. Vieillissement MOV sur la ligne : un risque demeure Surtension : kV Ligne Tension crête résiduelle 500 V Filtre CEM OK MOV à l’entrée du convert : le mieux ! CONVERT. & l’inductance du filtre limite le courant et le vieillissement Où ajouter des composants de protection ? Diode de protection anti-surtension Aucune impédance du côté continu pour limiter les surtensions du pont CTN L C Ligne alternative « PFC Boost » Aucune du doublement Une La diode diodelimitation écrête écrête toutes toutes les les surtensions surtensions, Pas de réduit limitation courant d’appel (mais La CTN ne réduit paslele courant courant d’appel d’appel) Sortie L’impédance négative d’un convertisseur DC / DC Filtre CEM de sortie Zout Filtre CEM d’entrée Z câble R + j.L Z1 Z2 SOURCE Zin DC / DC Impédance Négative Impédance Positive Zin 65 0 Phase -180° 0.1 Hz 1 Hz 10 Hz RISQUES : 100 Hz 1 kHz 10 kHz SOLUTIONS : - Refus de démarrer - Ajouter un gros condensateur en entrée - Instabilité de la tension de sortie - Réduire l’inductance du câble (paires en //) - Destruction du convertisseur ! - Réduire la largeur de bande de régulation Introduction Immunité en mode différentiel Émission en mode différentiel Émissions en mode commun Champs électromagnétiques Quelques problèmes d’harmoniques Les harmoniques sont générés par des courants non sinus. Pour un réseau électrique, les harmoniques constituent un problème BF fréquent ( < 2 kHz et MD seulement). Généralement, les harmoniques pairs sont faibles (car les demi alternances + et – se ressemblent). En général, un convertisseur AC / DC sans PFC dépasse les limites. Les harmoniques impairs peuvent être sévères ( > 50 % @ H3 ; > 30 % @ H5 ). Pour les convertisseurs monophasés sans PFC sur un réseau triphasé, le 3ème harmonique (150 Hz) est un courant homopolaire ; et I neutre peut dépasser I phase. Des filtres actifs ou anti-harmoniques sont utiles sur un réseau à faible Icc (GE). Pour un réseau de forte puissance, le problème n’est pas la distorsion de la tension mais la maîtrise du schéma de protection (des câbles & des disjoncteurs). Perturbations de Mode Différentiel I MD Z1 1 Ligne d’alim. I1 I2 2 Z2 V2 Z Charge V1 I MD V1 V1 2 2 1 V1 Z1 . I1 ( Si Z RSIL >> Z1 - En général : V1 = f ( F ) ) V1 n’est pas vu au secondaire, donc ne perturbe pas la charge. 2 V2 Z2 . I2 ( Si Z Charge >> Z2 - En général : V2 = f ( t ) ) V2 peut perturber ( typiquement si V2 crête à crête 1 V ) Spectre émis avant filtrage en Mode Différentiel Schéma équivalent en mode différentiel Fréq. de découpage = F0 C ESR I 1 F dBµA Z condensateur Temps de transition = r I RSIL 100 Fc = 0,35 r UMD Spectre simplifié du courant découpé 1 F2 ESL F0 Fc 0.5 to 5 MHz log (F) Résultat de la convolution Z dB Impédance du condensateur chimique dBµV ESR Fd = 2.ESL 1 C UMD ESL. Bruit à bande large du pont de diodes d’un convertisseur AC / DC ESR KHz Fd 0.5 to 5 MHz 1 F log (F) F0 Fc Fd log (F) Perte d’insertion d’un filtre CEM en Mode Différentiel L1 L = L1 + L2 Fil “aller” Filtre CEM Cx L2 Fil “retour” C Courant commuté I ESR U Sans U11: V sansfiltre filtre 2: Avec filtre UImpédance enCEM MD RSIL 100 Schéma équivalent en M. D. pour d’un un convertisseur filtre à simple sanscellule filtre +20 dB +10 U2 U1 Résonance avant coupure 0 -10 -20 F0 = -30 -40 0.1 0.2 1 2 L.Cx 0.3 0.5 0.7 1 F F0 2 3 5 7 10 Pièges d’un filtre CEM en Mode Différentiel 3 4 RSIL L L1 H Cx L2 7 1 2 C’ Condos Chimiques 6 Convertisseur 5 1 - Choisir la bonne structure (qui désadapte le mieux les impédances) 2 - Choisir (L1+L2) x Cx pour F résonance < plus faible fréquence à filtrer 3 - Vérifier qu’aucune inductance ne sature (à Max P & à Min U) 4 - Limiter l’inductance de fuite (dans l’air) de L1 & L2 5 - Une marge est nécessaire compte tenu de la dispersion des ESR 6 - Ajouter C’ pour réduire le bruit à bande large du pont de diodes 7 - Limiter le couplage champ H à boucle du côté “propre” du filtre. Attention au câblage en Mode Différentiel !… Ces inductances de câblage réduisent l’efficacité du filtre NON ! Attention au câblage en Mode Différentiel !… NO ! ! NON Ces surfaces rayonnent si BETTER Mieux ! elles supportent de forts I/t Attention au câblage en Mode Différentiel !… NO ! ! NON BETTER Mieux ! BEST BON !! Comment réduire les éléments parasites… ZG ZG ZL ZL U U Capacité parallèle Impedances en série Mauvais Routages Z < 10 Z > 1 K Réduire les surfaces, c’est nécessaire, mais insuffisant U U Éloigner Longueur minimale Routages Corrects Comment mesurer l’ondulation de sortie… C = 1 µF pour mesurer l’ondulation HF seule C = 100 µF pour mesurer l’ondulation à 100 Hz Entrée R Convertisseur Courant nominal Connexion très courte (Maximum = 2 cm) Bornes de sortie Oscilloscope Câble Coaxial 50 Entrée 50 Comment analyser l’ondulation de sortie C = 1 µF to measure HF ripple only C = 100 µF to measure 100 Hz ripple Input Output terminal Converter Nominal Current R Very short connexion (Max length = 2 cm) Oscilloscope 50 Coaxial Cable 50 input Tension 60 mV En général : conversion MC - MD 0 t –60 mV HF « NOISE » ( F > 3 MHz ) 10 mV : Excellent « RIPPLE » ( F découpage ) — « RIPPLE + NOISE » 100 mV : Moyen — 1 V : Excessif Introduction Immunité en mode différentiel Émission en mode différentiel Émissions en mode commun Champs électromagnétiques Perturbations de Mode Commun IMC 2 C2 ZMD Charge Ligne d’alimentation V IMC 2 C1 ZMC Conducteur PE IMC 2 1 I1 I2 1 I1 = C1 . V / t I1 ne circule pas dans la charge, donc le perturbe peu. 2 I2 C2 . V / t (et peut être modifié par ZMC) I2 peut circuler dans la charge, donc il peut la perturber. Courant total de Mode Commun : IMC = I1 + I2 Spectre émis avant filtrage en Mode Commun Schéma équivalent en Mode Commun Fréquence de découpage = F0 Temps de transition = r U dBµV 1 F Spectre simplifié de tension découpée Fc = 0.35 r 1 µH U C L Inductance du câble U 30 pF à 3 nF RSIL 25 1 F2 UMC C : Capa parasite entre “conducteurs chauds” & masse F0 Fc 1 à 10 MHz log (F) Résultat de la convolution 1 Admittance Z de la boucle -1 dB Résonance UMC dBµV plat 1 F F Fr = Résonance 1 F 1 2 LC 1 F3 log (F) Fr 3 à 30 MHz F0 Fc Fr log (F) Perte d’insertion d’un filtre CEM en Mode Commun M 2 fils CCM = Cp + C'p + 2 x Cy Tension découpée “Capa chaude” Filtre CEM U C'p 2 x Cy Cp U U11:: Sans U sansfiltre filtre 2: Avec le en filtre U impedance MC RSIL 25 Masse Schéma équivalent en d’un M.filtre C. d’un en mode convertisseur communisolé simple noncellule filtré +20 dB +10 U2 U1 Résonance avant coupure 0 -10 -20 F0 = -30 -40 0.1 1 2 M.CMC 0.2 0.3 0.5 0.7 1 F F0 2 3 5 7 10 Les 3 cas de Mode Commun Primaire - à - Secondaire Filtre Châssis métallique Sortie reliée à la masse Convert. 1 Aucun bruit de MC dans les circuits Électronique Filtre CEM très facile à optimiser IMC Sortie non filtrée Filtre 2 Convert. Électronique C IMC IMC Convert. Sortie non filtrée Aucun parasite hors du châssis Du courant de MC dans les circuits Filtre CEM plus difficile à optimiser Des champs rayonnent à l’extérieur 3 Filtre Aucun parasite hors du châssis Filtrage d’entrée impossible IMC Le câble de sortie doit être filtré ou blindé avec mise à la masse bilatérale. Charge Faire flotter, ou ne pas faire flotter ? L’inductance de MC peut saturer Circuits Primary circuits primaire M Liaison à la Ground Connexion masse to ground I+ I– Im Im I+ I– Circuits primaire C 100 nF Une solution (presque) universelle Comment mesurer le courant de M. C. Primaire à Secondaire ? Nominal V Converter Nominal I R Mesure temporelle Sensibilité : 50 mV/mA Oscilloscope Bande passante : 100 MHz Coaxial cable 1 mA crête-crête = Excellent 10 mA crête-crête = Moyen 50 Nominal V Converter 100 mA crête-crête = Excessif Nominal I R Mesure fréquentielle RBW: 9 or 10 kHz, Détection crête Short wire Current clamp Spectrum Analyser SPAN : 0,1 à 50 MHz (100 MHz) 10 dBµA = Excellent 30 dBµA = Moyen 50 dBµA = Excessif Ce simple “ SÉPARATEUR MC-MD ” réduit par 10 + le temps et la difficulté d’optimiser un filtre CEM monophasé Du RSIL Ligne 1 Vers l’analyseur 2.N spires N spires Sortie Mode Différentiel 50 Ligne 2 Sortie Mode Commun Tore de Ferrite avec µr 5000 & AL > 2000 nH/turn2 e.g. Philips 3E25 (orange), Diam. = 14 mm, N = 7 50 Exemple de réalisation d’un “ SEPARATEUR M. C. - M. D. ” Entrée Ligne 1 Sortie MD ET OU Entrée Ligne 2 Sortie MC Adaptation d’un séparateur MC / MD à un RSIL commercial BNC ajoutée sur la ligne non mesurée par le RSIL (50 interne supprimée) 2 Câbles coaxiaux d’égales longueurs Introduction Immunité en mode différentiel Émission en mode différentiel Émissions en mode commun Champs électromagnétiques Sources de rayonnements électromagnétiques 1 I1 IMC I2 2 1 Sources de champ H : Champ de fuite des bobinages Surfaces de boucle secondaires Surfaces de boucle primaires 2 Sources de champ E : Parties soumises à fort V/t (Radiateur, pot ferrite…) Câbles insuffisamment filtrés en HF (souvent le câble de sortie) Un remède HF est à installer près de la source Tube de Ferrite Ni - Zn Convert. bruyant Convert. bruyant Charge Sortie 2 x 1 nF Châssis métallique Perle de ferrite “BLM” Perle à fort µr R 10 to 100 MOS R Horloge C R 22 C 47 pF Diode HF Un petit convertisseur (qq W) peut être bruyant (MC & rayonnement) Boucle DE Masse : Définition & Effecs Effets Appareil Câble d’interconnexion N° 1 Appareil N° 2 Boucle DE Masse Z Plus proche conducteur de masse Une boucle de masse est inévitable ! La résistance de la (prise de) terre n’importe pas ! 1 Couplage par Z commune 2 Couplage champ à boucle I Câblage en étoile : Principe & Réalité 3 4 2 5 1 Référence de tension La Théorie… Câblage en étoile : Principe & Réalité 3 4 2 5 1 Référence de tension LA RÉALITÉ ! Boucles ENTRE Masses : Définition & Effets Appareil Appareil N° 1 N° 2 Conducteur de masse / structure Boucle Entre Masses Autre conducteur ou structure Comment améliorer l’immunité ? Boucles Entre Masses : Définition & Effets Réduction de la Boucle De Masse = Appareil Meilleure immunité Appareil aux rayonnements N° 1 Maillage des masses = Meilleure immunité aux perturbations conduites N° 2 Ajout d’un strap de masse = Réduction supplémentaire de la surface de boucle de masse Mailler les masses est hautement recommandé ! Où connecter l’écran des câbles blindés ? Câble de puissance : Aux deux bouts, aux châssis, sans fil de reprise. Coaxiaux HF : Aux deux bouts, aux châssis, sans fil de reprise. Numérique (sauf Ethernet en coaxial) : Aux deux bouts, aux châssis… Source à haute impédance (> 10 k) : Aux deux bouts, aux châssis… Tout câble interne à un équipement : Aux deux bouts, aux châssis… Tout écran externe (non retour signal) : Aux deux bouts, aux châssis… Signal faible tension, avec de basses fréquences à transmettre, avec une source à basse impédance, en environnement bruyant, sans liaison symétrique (mauvais CMRR) : A un seul bout… Mais une bonne immunité sera difficile à obtenir ! Éviter les feuillards avec un drain longitudinal (sans tresse). Nous pouvons retenir de tout cela que… La CEM n’est pas de la magie noire ! Des appareils de mesurage sont nécessaires… Mais des appareils très simples suffisent souvent ! L’expérience importe (pour prendre confiance en soi) Il est souhaitable de comprendre comment ça marche Il est utile d’analyser avec méthode ce qui se passe Il est efficace de simplifier les problèmes de CEM Il est nécessaire de connaître les ordres de grandeur Il est politiquement souhaitable d’être convaincant Il est essentiel de ne jamais, jamais se décourager !…
