PFC, Flicker und Störeinstrahlung: EMV bei Schaltnetzteilen (Teil 2) – Automotive

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La compatibilité électromagnétique, ou CEM en abrégé, est l’un des facteurs décisifs pour la mise sur le marché d’un système électrique. Dans une série d’articles en deux parties, les principaux termes de base de la CEM doivent être expliqués et des informations fournies sur la manière d’atteindre la conformité CEM.

  • Retour secteur en raison d’un PFC manquant

  • Clignotement de retour secteur

  • Augmentation du bruit

  • Bruit en rafale

  • Rayonnement parasite ESD

  • Rayonnement parasite Creux de tension (creux)

La compatibilité électromagnétique, ou CEM en abrégé, est un problème important pour tout système électrique. D’une part, il ne doit pas influencer l’environnement de manière inadmissible et, d’autre part, il doit fonctionner correctement dans ces conditions environnementales spécifiques. Après nous dans Partie 1 Après avoir examiné les émissions conduites et rayonnées, la partie 2 traite maintenant du PFC et du papillotement comme autres émissions ainsi que de l’influence du bloc d’alimentation par les interférences externes, c’est-à-dire les immissions.

Bien que les perturbations du réseau, c’est-à-dire le PFC et le flicker, soient typiquement vues comme des immissions, nous les catégorisons dans le domaine des émissions. Parce qu’ils perturbent d’autres appareils, par exemple le scintillement de l’équipement d’éclairage.

Retour secteur en raison d’un PFC manquant

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Figure 1 : schéma approximatif d’un bloc d’alimentation sans PFC

La mesure du PFC (Power Factor Correction) est souvent comparée à l’angle de conduction du courant (cos ϕ). Cependant, les exigences de la norme EN 61000-3-2 vont beaucoup plus loin. Avec une structure sans étage PFC comme dans Image 1 le courant ne circule du secteur que si la tension actuelle au niveau du condensateur du circuit intermédiaire en aval du pont redresseur est inférieure à la tension actuelle du secteur.

Cependant, étant donné que le condensateur du circuit intermédiaire doit également compenser les creux de secteur ou les interruptions de secteur tampon, il est généralement conçu pour être assez grand. Cela réduit à son tour l’angle d’écoulement du courant, c’est-à-dire le temps pendant lequel le courant circule du côté du réseau. Cela met à rude épreuve le réseau électrique.

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Figure 2 : Courant et tension sur une alimentation sans PFC dans le domaine temporel (en bas) et le courant dans le domaine fréquentiel (en haut)

Dans l’exemple suivant, l’angle de conduction du courant n’est que d’environ 1 ms par demi-cycle. Un bloc d’alimentation avec une puissance d’entrée de 150 W a été mesuré sans aucun câblage supplémentaire (image 2). La limite de la classe A selon EN 61000-3-2 est déjà dépassée ici avec 31 %.

Des circuits PFC passifs ou actifs peuvent être utilisés comme solution. Alors que la solution PFC passive consiste à connecter une inductance assez importante en série, la solution active est un convertisseur DC-DC supplémentaire, non isolé galvaniquement, qui est piloté de telle manière que la consommation de courant est similaire à une résistance (presque) volonté sinusoïdale (image 3). Les conceptions plus récentes n’utilisent généralement que des niveaux de PFC actifs.

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Figure 3 : schéma approximatif d’un bloc d’alimentation avec un étage PFC actif.

L’étage PFC est généralement conçu de manière à ce que la tension du circuit intermédiaire soit constante entre 370 et 380 V, quelle que soit la tension du secteur. Par conséquent, les développeurs peuvent concevoir le reste du circuit, c’est-à-dire le MOSFET et le transformateur, pour une seule tension de fonctionnement.

Cette mesure désactivée image 4 a été réalisée avec la même puissance d’entrée normalisée. Alors que le courant de crête dans la mesure sans PFC (Figure 2) est d’environ 4 A, la courbe de courant dans une alimentation avec PFC actif est presque la même qu’avec une charge à résistance ohmique. A un peu moins de 1 A, la valeur crête reste bien inférieure à celle de la variante sans PFC (image 4).

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Figure 4 : Courant et tension sur une alimentation avec PFC actif dans le domaine temporel (en bas) et le courant dans le domaine fréquentiel (en haut)

Comment un bloc d’alimentation sans PFC affecte-t-il les autres consommateurs ou provoque-t-il un retour secteur ? En termes simples, le phénomène peut être comparé à un nageur nageant à contre-courant dans la mer. Les vagues de la mer représentent l’oscillation du secteur à 50 Hz (courant). Cependant, de petites harmoniques sont modulées sur les vagues à la suite du processus de nage. Dans le cas d’un seul nageur, ceux-ci ne sont pas importants. Mais sur une plage très fréquentée pendant la période des fêtes, les harmoniques sont amplifiées par beaucoup plus de nageurs, déformant finalement les vagues de base. Au sens figuré, il faudrait ici appliquer un PFC pour que la mer vibre à nouveau normalement.

La norme sur laquelle le PFC est basé est EN 61000-3-2. Il couvre une plage de puissance de 75 à 1000 W (classe D seulement 600 W). Cela signifie que les applications inférieures à 75 W de puissance d’entrée ne relèvent pas nécessairement de la norme.

Une distinction est faite entre quatre groupes :

  • B : outillage électroportatif,
  • C : éclairage,
  • D : PC, moniteur, TV (jusqu’à 600 W) et
  • A : Appareils triphasés et tout ce qui n’entre pas dans les classes B à D.

Dans les classes respectives, l’évaluation est décomposée en courants harmoniques respectifs de la composante fondamentale. Selon la classe, l’évaluation est basée soit sur un courant maximum donné (par exemple classe A) soit sur un pourcentage du courant total (par exemple classe D). Le nombre maximum d’harmoniques est limité à 39.

Clignotement de retour secteur

La mesure du flicker selon la norme EN 61000-3-3 a une signification similaire à la mesure PFC. Pour faire simple, il indique à quel point la charge inégale sur le réseau d’alimentation affecte la tension d’alimentation des systèmes d’éclairage et peut donc entraîner des effets clairs/obscurs, appelés scintillements.

Augmentation du bruit

Les immissions sont les influences sur le bloc d’alimentation causées par des perturbations externes. Il peut s’agir, par exemple, de champs ou de tensions électriques, magnétiques ou électromagnétiques, tels que ceux provoqués par les émetteurs, les coups de foudre, les opérations de commutation dans le réseau électrique, les rayonnements HF, par exemple des CPU, etc.

Les tests importants pour l’alimentation sont les surtensions (CEI 61000-4-5) et les salves (CEI 61000-4-4). Le test de surtension simule des coups de foudre ainsi que des changements de charge plus importants dans le réseau d’alimentation. La norme ci-dessus nécessite une impulsion de test définie dans les cas de circuit ouvert et de court-circuit pour les tests. Le temps de montée est de 1,2 µs, le temps de descente à 50 % de la tension de crête d’origine est de 50 µs. Cette impulsion est générée par un générateur dont la qualité du signal permet une répétition correspondante sous la même forme de signal. Ces impulsions peuvent atteindre des valeurs de tension de 4000 V et plus. Le couplage à l’alimentation se fait par un réseau de couplage soit de L vers N soit de PE vers L ou N (symétrique ou asymétrique). Selon l’application, la norme exige différents degrés de sévérité ou tensions d’essai.

La mesure est ensuite évaluée à la fin avec un critère correspondant. Les critères sont les suivants :

  • R : Aucune influence sur le DUT.
  • B : Influence de l’objet à tester, cependant, l’objet à tester se réinitialise automatiquement à l’état de fonctionnement.
  • C : Influence de l’échantillon. Intervention de l’opérateur requise.

En plus de l’affectation de la ligne d’alimentation, les lignes de données et d’information sont également testées à l’aide d’un réseau de couplage spécial. L’impulsion de surtension est décrite en détail dans la norme EN 61000-4-5. Il doit atteindre un temps de montée de 8 µs et être capable de maintenir au moins 50 % de la tension de crête pendant 20 µs. Étant donné que des courants et des tensions élevés se produisent pendant le test de surtension, ce qui peut même entraîner la destruction de l’objet à tester, il est important de s’assurer que les règles de sécurité sont respectées.

Bruit en rafale

La configuration de test pour le test de rafale est similaire à celle de la surtension. L’impulsion en rafale simule des perturbations sur la ligne d’alimentation causées par des relais, des moteurs ou des tubes fluorescents. Les impulsions ont une durée et un temps de montée très courts dans la plage des nanosecondes et sont introduites dans le DUT sous forme de paquets d’impulsions depuis le générateur via le réseau de couplage. Comme pour le test de surtension, la CEI 61000-4-4 spécifie certains niveaux de tension et critères que l’objet à tester doit respecter.

Rayonnement parasite ESD

Les tests ESD représentent un test d’endurance supplémentaire pour l’alimentation. Les tests de charge électrostatique montrent dans quelle mesure une personne se charge par séparation de charge et à quel point cette charge de plusieurs kilovolts peut interférer avec les appareils électriques. Une distinction est faite entre rejet direct et rejet indirect. Selon la norme, jusqu’à 15 kV (p. ex. technique médicale selon EN 60601-1-2) sont supposés être évacués dans l’air.

Rayonnement parasite Creux de tension (creux)

Les tests de creux de tension d’alimentation sont tout aussi importants pour les alimentations. Le soi-disant test dip (EN 61000-4-11) réduit ou interrompt la tension d’entrée pendant certaines périodes de temps ou cycles. Celui-ci vérifie si la tension de sortie du bloc d’alimentation chute et si le bloc d’alimentation redémarre ensuite correctement.

D’autres tests sont l’influence du bloc d’alimentation par des champs E ou H appliqués de l’extérieur, qui sont modulés en conséquence.

Magic Power Technology dispose de sa propre chambre de mesure CEM pour les mesures d’interférences conduites, de salves, de surtensions, d’ESD et de creux de réseau (EN 61000-4-11), d’une cellule GTEM et TEM de 3,5 m ainsi que d’un champ libre de 3 m pour la mesure l’intensité du champ d’interférence.


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