Conception d’ensembles mécatroniques à haute fréquence de fonctionnement : outils et méthodes de caractérisation des couplages électromagnétiques entre convertisseur électromécanique et électronique de puissance

De l’avion plus électrique, en passant par l’hybridation de véhicules automobiles et jusqu’aux implants cardiaques d’assistance circulatoire, la compacité est devenue le graal de l’électrotechnique embarquée moderne. En effet, la densité de puissance des systèmes électromécaniques ne cesse de s’accroitre. Ainsi, pour répondre aux besoins de forte intégration, les convertisseurs en électronique de puissance trouvent un vecteur de développement dans l’augmentation de leur température et des fréquences de fonctionnement mais aussi dans la réduction des temps de commutation des interrupteurs, leur permettant de réduire leurs pertes thermiques et ainsi, de réduire leurs besoins en refroidissement.

Les moteurs et générateurs électriques évoluent avec des topologies aussi diverses qu’innovantes pour répondre aux besoins d’intégration, robustesse et sureté de fonctionnement. Particulièrement, les bobinages des moteurs sont les premiers éléments sur le front de bataille. Au sein du bobinage s’effectuent les échanges entre moteur et convertisseur. L’augmentation des contraintes fréquentielles et transitoires sous forme de fronts de courant et tension issus des ensembles d’électronique de puissance constituent des défis en termes de compatibilité électromagnétique (CEM) pour les systèmes embarqués.

Le travail présenté ici est le fruit d’une étroite collaboration entre la société NOVATEM et le laboratoire Génie de Production de l’ENIT de Tarbes au travers d’un financement CIFRE, en association avec la plateforme Labceem de l’IUT de Tarbes.

Il propose d’apporter des modèles prédictifs permettant de déterminer les conséquences de ces contraintes d’intégration dans les systèmes mécatroniques de puissance dès les premières étapes de leur conception. Les perturbations conduites dont la source HF est au sein des interrupteurs de puissance du convertisseur, sont façonnées par les impédances caractérisant le chemin de couplage dont le moteur fait partie intégrante. Ce travail vise à élaborer des méthodes et outils pour contribuer à l’étude prédictive de la compatibilité électromagnétique (CEM) des ensembles mécatroniques en essayant de couvrir une plage de fréquence allant de 0 à 300 MHz.

Dans une première partie, un état de l’art est détaillé afin de délimiter le contexte et les frontières de l’étude. Puis, un deuxième chapitre porte sur la modélisation analytique de bobinages concentrés de moteurs électriques. Les modèles analytiques établis permettent de déterminer les paramètres de réseaux de circuits pour effectuer des simulations dans le domaine temporel et harmonique. Contrairement aux modèles comportementaux de moteurs répandus dans la littérature, les modèles ici synthétisés prennent en compte les paramètres physiques des bobinages. Ils donnent la possibilité à l’utilisateur de paramétrer les architectures de bobinages concentrés en changeant des paramètres tels que la géométrie des bobines, les matériaux d’isolation ou encore la perméabilité des culasses. Un troisième chapitre, détaille l’établissement d’une méthode rationnelle d’extraction numérique de paramètres fonctionnels et parasites des PCB multicouches de puissance. Cette méthode, de par la prise en compte de paramètres physiques, s’inscrit dans une logique générique et prédictive. Finalement, dans le dernier chapitre, les outils et méthodes précédemment établis sont appliqués à l’étude d’un système réel de motorisation de véhicule électrique développé par la société partenaire Novatem. Le caractère physique et prédictif de ces outils vise à permettre l’expérimentation virtuelle sur l’ensemble moteur-convertisseur sans la nécessité de prototypes. Ce dernier chapitre illustre l’intérêt d’une approche physique en modélisation pour la compatibilité électromagnétique de systèmes mécatroniques.