Conception des convertisseurs de puissance sous contraintes CEM

Le choix d’une structure de conversion en électronique de puissance demeure un exercice difficile qui doit répondre à des critères très différents et de plus en plus exigeants. Nous pouvons citer parmi les plus habituels, la compacité, le coût, le rendement et le respect des normes de compatibilité électromagnétique (CEM). La CEM en électronique de puissance est un aspect particulièrement critique compte tenu du mode de fonctionnement à découpage, elle intervient dans le dimensionnement du convertisseur sur des fréquences s’étendant de la fréquence de découpage à plusieurs dizaines de megahertz [D 3 290]. Le respect de l’ensemble de ces critères requiert une bonne connaissance de l’ensemble des constituants du convertisseur associée à l’expertise du concepteur.

Une fois la structure de conversion retenue, la phase de dimensionnement vise à déterminer les valeurs des composants permettant d’assurer le fonctionnement du convertisseur : valeurs des inductances et condensateurs pour respecter les ondulations des grandeurs en entrée et en sortie, mais également l’ensemble des choix technologiques liés aux composants (calibre en courant et en tension des interrupteurs, courant efficace maximal, choix du matériau magnétique, du nombre de spires…). Il est également nécessaire de dimensionner les refroidisseurs permettant d’évacuer les pertes des semi-conducteurs, ainsi que les filtres destinés à satisfaire les normes de compatibilité électromagnétique.

Ce n’est qu’au terme de ces étapes que la structure candidate pourra être comparée à d’autres vis-à-vis du critère de performance retenu (masse, coût…).

On constate la difficulté de la tâche pour le concepteur, s’il ne fait pas appel à son expertise, afin d’investiguer l’ensemble des solutions possibles dans des délais toujours plus courts. En outre, l’expertise peut être remise en cause à chaque saut technologique ou apparition de nouvelles contraintes. L’exemple des semi-conducteurs grand gap est très instructif : les possibilités de tenue en tension et de fréquences de commutation bien plus élevées pourraient rendre compétitives des solutions jusqu’à présent abandonnées, sous réserve que l’ensemble des autres composants du convertisseur puisse être au niveau. Par ailleurs, l’augmentation de la rapidité de commutation engendre la nécessité de proposer des filtrages CEM plus efficaces, et il n’est pas sûr que l’ensemble du convertisseur soit finalement plus compact.

Cet article sera structuré en trois parties : la première illustrera, sur deux classes d’applications représentatives, le grand nombre de structures de conversion possibles et les analysera sous le double regard perte et CEM. La deuxième partie proposera une méthodologie de prédimensionnement de convertisseur, permettant de dégager un optimum global pour une topologie donnée, en prenant en compte les critères de réalisation technologique. Enfin, la troisième partie abordera l’implantation physique des composants, et l’impact des interconnexions sur les performances en commutation.