WO1996008863A1 - Dispositions pour la reduction du champ electromagnetique emis par un equipement d'electronique de puissance - Google Patents

Dispositions pour la reduction du champ electromagnetique emis par un equipement d'electronique de puissance Download PDF

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    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output

Definitions

  • the present invention relates to arrangements for reducing the electromagnetic field emitted by power electronic equipment.
  • Such power electronics equipment an alternating current to direct current converter, for example, includes electronic switches generating an electromagnetic field which, due to the power involved, is very intense and requires provisions to reduce its propagation. outside the equipment.
  • Known solutions in this regard are based on shielding and filtering.
  • the present invention therefore relates to provisions aimed at reducing the electromagnetic field emitted by power electronic equipment which is effective at a low cost, thereby reducing the requirements relating to filtering and shielding, when those - these are still necessary.
  • the provisions aimed at reducing the electromagnetic field emitted by a power electronic equipment of the invention essentially comprise an antenna element placed in the vicinity of a radiating conductor of the equipment, so as to absorb the electromagnetic energy which reaches it by coupling with the radiating conductor, in order to reduce the energy radiated in the space which surrounds them both.
  • the radiating conductor is a monopole (essentially radiating an electric field)
  • the antenna element is also a monopole formed by a conductor of the same length and of the same geometry as the radiating conductor, connected to the earth at one of its ends.
  • the antenna element when the radiating conductor is a loop (essentially radiating a magnetic field), the antenna element is also a loop formed by a conductor with the same path, length and surface as the radiating conductor.
  • FIG. 1 by way of example, the block diagram of a direct current chopper which can be used in power electronics equipment,
  • FIG. 2 an illustration of the voltage and the current in the switching transistor T of the diagram of FIG. 1,
  • FIG. 6 an illustration of the arrangements ensuring according to the invention, in a second example of implementation, a reduction of the electromagnetic field emitted by a radiating loop
  • FIG. 7 a curve illustrating experimental results in the case of the provisions of FIG. 5,
  • the present invention applies to the reduction of the electromagnetic field emitted by a power electronics equipment.
  • Such power electronics equipment an alternating current to direct current converter, for example, includes electronic switches generating an electromagnetic field.
  • An example of such electronic switches is illustrated in FIG. 1.
  • This represents the block diagram of a DC chopper comprising a DC voltage source E (a rectifier, for example), a filtering capacitor C, a switching transistor T, a freewheeling diode D, and a load represented as a current generator 10.
  • FIG. 2 schematically represents the voltage VK at the terminals of the switching transistor T and the current IK passing therethrough, during each period of conduction and blocking of the switching transistor T. It can be seen there that the voltage at its terminals VK falls suddenly at zero, while the current in load 10 is established. After the conduction period of the switching transistor T, the current in this transistor drops to zero, while the voltage rises to the value VK close to the voltage of the source E. Furthermore, which is not visible on the figure, the current in the load 10 is maintained through the freewheeling diode D.
  • FIG. 3 represents the same circuit as FIG. 1, in which the conductor mp joining the collector of the transistor T at diode D and at load 10 is drawn in thick lines, to illustrate the fact that this conductor mp, subjected to a sudden voltage variation during the blocking of the switching transistor T, behaves as a monopole and emits radiation essentially of field E which is propagated in all the directions of space (in the physical realization, of course, not according to the diagram).
  • the other conductors of the circuit can be ignored in this regard, since they are all grounded, whether they are connected to it directly or through the voltage source E and the capacitor C which act in this regard as short-circuits .
  • FIG. 4 represents the same circuit, in which one materialized, one with simple hatching, the other with crossed hatching, two bel and bc2 loops in which oscillating currents flow, during the operation of the switching transistor T, which give rise to essentially magnetic field emissions, which propagate in the space around these loops.
  • FIG. 5 illustrates, taking only the switching transistor T of the preceding figures and a section of conductor operating in radiating monopole mp, the arrangements mpa provided according to the invention for the reduction of the electromagnetic field emitted by this monopole.
  • FIG. 6, in an analogous manner illustrates, by taking up only the freewheeling diode D and the load 10 in the radiating loop bc2, the arrangements bca made according to the invention for the reduction of the electromagnetic field emitted by this loop.
  • these provisions aimed at reducing the electromagnetic field emitted by a power electronics equipment, essentially comprise, according to the invention, an antenna element placed in the vicinity of a radiating conductor of the equipment, so to absorb the electromagnetic energy that reaches it by coupling with the radiating conductor, in order to reduce the energy radiated in the space which surrounds them both.
  • the antenna element mpa is also a monopole formed by a conductor of the same length and of the same geometry as the radiating conductor, earthed at one end.
  • the antenna element bca is also a loop formed of a conductor with the same path, length and area as the radiating conductor.
  • Figures 7 and 8 illustrate, by practical cases derived from the representations of Figures 5 and 6, the advantages provided by the invention.
  • FIG. 7 represents waveforms of an oscilloscope recorded during tests carried out using an assembly conforming to FIG. 1, the switching transistor T being of the type known under the name IGBT, model G 20N50, capable of supporting 500 V and 20 A.
  • the tests whose result is illustrated were carried out at 100 V and 20 A.
  • Load 10 had a resistance of 4 ohms and an inductance of 2 mH.
  • FIG. 8 is similar, but relates to the case of FIG. 6, the traces rnc 'and rc' being homologous to the traces rnc and rc of FIG. 7, and their ratio is the same.

Abstract

Elles comprennent essentiellement un élément d'antenne (mpa) placé au voisinage d'un conducteur rayonnant de l'équipement (mp), de manière à absorber l'énergie électromagnétique qui lui parvient par couplage avec le conducteur rayonnant.

Description

DISPOSITIONS POUR LA REDUCTION DU CHAMP ELECTROMAGNETIQUE EMIS PAR UN EQUIPEMENT D' ELECTRONIQUE DE PUISSANCE
La présente invention concerne des dispositions pour la réduction du champ électomagnétigue émis par un équipement d'électronique de puissance.
Un tel équipement d'électronique de puissance, un convertisseur de courant alternatif en courant continu, par exemple, comprend des commutateurs électroniques engendrant un champ électromagnétique qui, en raison des puissance en jeu, est très intense et demande des dispositions pour en réduire la propagation à l'extérieur de l'équipement. Les solutions connues, à cet égard, reposent sur le blindage et le filtrage.
De telles solutions, lorsqu'elles sont appliquées à des équipements relativement peu puissants et peu volumineux, sont efficaces, pour un coût acceptable. Toutefois, avec l'augmentation de la puissance des équipements d'électronique de puissance et donc de leur volume, de telles dispositions tendent à devenir inacceptables, non seulement en termes de coût, mais aussi de volume et de poids, tandis que l'augmentation des vitesses de commutation accroît par ailleurs le niveau des rayonnements émis.
La présente invention a donc pour objet des dispositions visant à la réduction du champ électromagnétique émis par un équipement d'électronique de puissance qui soit efficace pour un coût peu élevé, réduisant d'autant les exigences portant sur le filtrage et le blindage, lorsque ceux-ci demeurent nécessaires.
Les dispositions visant à la réduction du champ électromagnétique émis par un équipement d'électronique de puissance de l'invention comprennent essentiellement un élément d'antenne placé au voisinage d'un conducteur rayonnant de l'équipement, de manière à absorber l'énergie électromagnétique qui lui parvient par couplage avec le conducteur rayonnant, afin de réduire l'énergie rayonnée dans l'espace qui les entoure tous les deux. Dans une forme de réalisation, lorsque le conducteur rayonnant est un monopôle (rayonnant essentiellement un champ électrique), l'élément d'antenne est aussi un monopôle formé d'un conducteur de même longueur et de même géométrie que le conducteur rayonnant, relié à la terre à l'une de ses extrémités.
Dans une autre forme de réalisation, lorsque le conducteur rayonnant est une boucle (rayonnant essentiellement un champ magnétique), l'élément d'antenne est aussi une boucle formée d'un conducteur de même parcours, longueur et surface que le conducteur rayonnant.
Les différents objets et caractéristiques de 1'invention apparaîtront plus clairement à la lumière de la description qui va suivre d'un exemple de réalisation de l'invention, faite en se référant aux figures annexées qui représentent :
- la figure 1, à titre d'exemple, le schéma de principe d'un hacheur de courant continu que l'on peut employer dans un équipement d'électronique de puissance,
- la figure 2, une illustration de la tension et du courant dans le transistor de commutation T du schéma de la figure 1,
- la figure 3, le même schéma que celui de la figure 1, mais avec indication de monopôles engendrant un champ électrique,
- la figure 4, le même schéma encore, mais avec indications des boucles engendrant un champ magnétique, la figure 5, une illustration des dispositions assurant, selon l'invention, dans une premier exemple de mise en oeuvre, une réduction du champ électromagnétique émis par un monopôle rayonnant,
- la figure 6, une illustration des dispositions assurant selon l'invention, dans une deuxième exemple de mise en oeuvre, une réduction du champ électromagnétique émis par une boucle rayonnante, - la figure 7, une courbe illustrant des résultats expérimentaux dans le cas des dispositions de la figure 5,
- la figure 8, une courbe illustrant des résultats expérimentaux dans le cas des dispositions de la figure 6.
La présente invention s'applique à la réduction du champ électomagnétique émis par un équipement d'électronique de puissance.
Un tel équipement d'électronique de puissance, un convertisseur de courant alternatif en courant continu, par exemple, comprend des commutateurs électroniques engendrant un champ électromagnétique. Un exemple de tels commutateurs électronique est illustré par la figure 1. Celle-ci représente le schéma de principe d'un hacheur de courant continu comprenant une source de tension continue E (un redresseur, par exemple) , un condensateur de filtrage C, un transistor de commutation T, une diode de roue libre D, et une charge représentée comme un générateur de courant 10.
La figure 2, représente, schématiquement, la tension VK aux borne du transistor de commutation T et le courant IK le traversant, pendant chaque période de conduction et de blocage du transistor de commutation T. On y voit que la tension à ses bornes VK tombe soudainement à zéro, tandis que le courant dans la charge 10 s'établit. Après la période de conduction du transistor de commutation T, le courant dans ce transistor tombe à zéro, tandis que la tension remonte à la valeur VK voisine de la tension de la source E. Par ailleurs, ce qui n'est pas visible sur la figure, le courant dans la charge 10 se maintient à travers la diode de roue libre D.
A chaque variation soudaine de la tension ou du courant dans le circuit de la figure 1, de façon classique une oscillation amortie se produit, sur certains conducteurs, qui donne lieu à émission électromagnétique. L'invention a pour objet de la réduire.
La figure 3 représente le même circuit que la figure 1, dans lequel le conducteur mp joignant le collecteur du transistor T à la diode D et à la charge 10 est tracé en trait épais, pour illustrer le fait que ce conducteur mp, soumis à une variation de tension soudaine lors du blocage du transistor de commutation T, se comporte en monopôle et émet un rayonnement essentiellement de champ E qui se propage dans toutes les directions de l'espace (dans la réalisation physique, bien sûr, pas selon le schéma) . Les autres conducteurs du montage peuvent être ignorés à cet égard, puisqu'ils sont tous à la masse, qu'ils y soient connectés directement ou à travers la source de tension E et le condensateur C qui font à cet égard office de court- circuits.
De façon analogue, la figure 4 représente le même circuit, dans lequel on a matérialisé, l'une avec des hachures simples, l'autre avec des hachures croisées, deux boucles bel et bc2 dans lesquelles circulent des courants d'oscillations, lors du fonctionnement du transistor de commutation T, qui donnent lieu à des émissions en champ essentiellement magnétique, qui se propagent dans l'espace autour de ces boucles.
La figure 5 illustre, en reprenant seulement le transistor de commutation T des figures précédentes et une section de conducteur opérant en monopôle rayonnant mp, les dispositions mpa apportées selon l'invention pour la réduction du champ électromagnétique émis par ce monopôle.
La figure 6, de façon analogue illustre, en reprenant seulement la diode de roue libre D et la charge 10 dans la boucle rayonnante bc2, les dispositions bca apportées selon l'invention pour la réduction du champ électromagnétique émis par cette boucle.
Globalement, ces dispositions, visant à la réduction du champ électromagnétique émis par un équipement d'électronique de puissance, comprennent essentiellement, selon l'invention, un élément d'antenne placé au voisinage d'un conducteur rayonnant de l'équipement, de manière à absorber l'énergie électromagnétique qui lui parvient par couplage avec le conducteur rayonnant, afin de réduire l'énergie rayonnée dans l'espace qui les entoure tous les deux.
En effet, dans la forme de réalisation de la figure 5, alors que le conducteur rayonnant est un monopôle, l'élément d'antenne mpa est aussi un monopôle formé d'un conducteur de même longueur et de même géométrie que le conducteur rayonnant, relié à la terre à l'une de ses extrémités.
Dans la forme de réalisation de la figure 6, alors que le conducteur rayonnant est une boucle, l'élément d'antenne bca est aussi une boucle formée d'un conducteur de même parcours, longueur et surface que le conducteur rayonnant.
L'élément d'antenne de la figure 5, tout comme celui de la figure 6, couplé électromagnétiquement au conducteur rayonnant, soit un monopole, soit une boucle, fait office de charge dissipative pour l'énergie couplée, de sorte que le rayonnement produit dans l'espace environnant est fortement réduit.
Les figures 7 et 8 illustrent, par des cas pratiques dérivés des représentations des figures 5 et 6, les avantages procurés par l'invention.
La figure 7 représente des tracés d'oscilloscope relevés lors d'essais effectués à l'aide d'un montage conforme à la figure 1, le transistor de commutation T étant du type connu sous l'appelation IGBT, modèle G 20N50, pouvant supporter 500 V et 20 A. Les essais dont le résultat est illustré ont été effectués sous 100 V et 20 A. La charge 10 avait une résistance de 4 ohms et une inductance de 2 mH.
On voit sur cette figure, partie A) , un tracé vk représentatif de la tension VK aux bornes du transistor de commutation et un tracé rnc, représentatif du champ électrique en l'absence du dispositif de l'invention, ainsi que, partie B) , un tracé, relevé dans les mêmes conditions, mais l'élément d'antenne de la figure 5 étant en place. On constate une réduction de moitié du champ émis. La figure 8 est similaire, mais concerne le cas de la figure 6, les tracés rnc' et rc' étant homologues des tracés rnc et rc de la figure 7, et leur rapport est le même.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositions pour la réduction du champ électromagnétique émis par un équipement d'électronique de puissance comprennant essentiellement un élément d'antenne placé au voisinage d'un conducteur rayonnant de l'équipement, de manière a absorber l'énergie électromagnétique qui lui parvient par couplage avec le conducteur rayonnant.
2. Dispositions pour la réduction du champ électromagnétique émis par un équipement d'électronique de puissance conforme à la revendication, alors que le conducteur rayonnant (mp) est un monopôle, caractérisées en ce que ledit élément d'antenne (mpa) est aussi un monopôle formé d'un conducteur de même longueur et de même surface que le conducteur rayonnant, relié à la terre à l'une de ses extrémités.
3. Dispositions pour la réduction du champ électromagnétique émis par un équipement d'électronique de puissance conforme à la revendication 1, alors que le conducteur rayonnant (bel, bc2) est une boucle, l'élément d'antenne (bca) est aussi une boucle formée d'un conducteur de même parcours, longueur et surface que le conducteur rayonnant.
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