Méthode d’optimisation du volume des bobines de mode commun pour la conception des filtres CEM

Optimization method of the volume of common mode inductors used in the design of EMI filters

• Auteur / Autrice : Bilel Zaidi
• Direction : Nadir Idir, Arnaud Videt
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance le 30/11/2018
• Etablissement(s) : Université de Lille (2018-2021)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Lille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'électrotechnique et d'électronique de puissance (L2EP)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Optimisation mathématique

Diélectriques

Courants critiques

Filtres à inductances et capacités

Filtrage du signal

Compatibilité électromagnétique

Électronique de puissance

Mots clés libres

Bobine de mode commun monocouche

Résumé

Ce travail de thèse présente une méthode d'optimisation du volume de la bobine de mode commun qui est généralement l'élément le plus volumineux du filtre. Le manuscrit commence par faire l'état de l'art des perturbations électromagnétiques conduites en électronique de puissance et des moyens permettant leur réduction. Ensuite, un calcul analytique de l'inductance de mode commun minimale qui permet de respecter la norme CEM est présenté. Ce calcul prend en considération la perméabilité complexe du matériau magnétique et les impédances des chemins de propagation des perturbations de mode commun dans la chaîne. Une fois l'inductance minimale calculée, une méthode d'optimisation du volume de la bobine de mode commun monocouche qui tient compte de la saturation du matériau magnétique est présentée. L'application de la méthode proposée dans diverses situations a montré l'existence d'une meilleure inductance, pouvant être supérieure à sa valeur minimale, qui permet de réduire au mieux le volume de la bobine. Par ailleurs, des règles de dimensionnement en relation avec la fréquence de commutation du convertisseur et de son rapport cyclique sont définies. La dernière partie de cette étude est dédiée à la prise en compte des effets de la capacité parasite équivalente de la bobine dans la procédure de dimensionnement. D'abord, une méthode pour la détermination des permittivités relatives du noyau magnétique et pour l'estimation de la capacité parasite équivalente est proposée. Cette méthode, accompagnée d'un calcul de la capacité maximale autorisée, permet d'adapter la géométrie de la bobine afin de respecter la contrainte normative en HF tout en optimisant son volume.

This work presents an optimization method of the common mode inductor volume that is generally the biggest element of the filter. The manuscript starts by presenting the state of art of conducted electromagnetic interferences in power electronics and techniques that allow their reduction. Then, an analytical calculation method of the minimal inductance value that allows respecting the normative constraint is presented. This calculation method takes into account the complex permeability of the magnetic material and the impedances of the different propagation path of common mode disturbances in the conversion system. After that, an optimization method of the single layer inductor volume with considering the magnetic core saturation issues is proposed. The application of the proposed method in different situations has shown the existence of the best inductance value that can be higher than its minimal value while reducing the optimal inductor volume. In addition, some rules that can be used in the design process in relation to the switching frequency of the converter and its duty cycle are defined. In the last part of this study, the effect of the equivalent parasitic capacitance of the common mode inductor is discussed and introduced in the proposed optimization process. A determination method of magnetic core relative permittivities and of the equivalent parasitic capacitance is proposed. This method, in addition to the proposed analytical calculation of the maximal allowed parasitic capacitance, makes it possible to adapt common mode inductor geometry in order to respect the normative constraint in the high frequencies while optimizing its volume.