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Avec le développement rapide du secteur des véhicules à énergie nouvelle, la chargeuse embarquée (OBC) constitue le composant de connexion central entre le réseau électrique et la batterie de traction, ce qui rend sa conception en compatibilité électromagnétique (CEM) de plus en plus essentielle. La commutation à haute vitesse des dispositifs de puissance dans les alimentations à découpage génère des interférences électromagnétiques (EMI) haute fréquence, comprenant à la fois des bruits conduits en mode commun et en mode différentiel le long des lignes d’alimentation, ainsi que des interférences rayonnées dans l’espace. Les chargeuses embarquées doivent intégrer une conception robuste de filtre CEM afin de s’adapter à l’environnement électromagnétique complexe automobile, garantir leur propre fonctionnement stable et éviter toute interférence avec les autres équipements électroniques du véhicule. Parmi ceux-ci, l’inductance en mode commun et le circuit de filtrage en configuration « pi » constituent les composants centraux du filtrage CEM, et le choix des inductances détermine directement les performances de filtrage, le volume global du système et sa fiabilité thermique.
1-Sources de bruit EMI et architecture de filtrage
Lorsqu’un chargeur embarqué (OBC) fonctionne, les transistors de commutation haute fréquence du circuit PFC en amont (IGBT ou MOSFET SiC) ainsi que les circuits résonants du convertisseur continu-continu en aval génèrent une quantité importante d’harmoniques. Le bruit électromagnétique conduit est classé en deux types :bruit en mode différentiel et bruit en mode commun. L’interférence en mode différentiel apparaît entre les deux lignes d’alimentation (par exemple entre la ligne L et la ligne N), avec des courants de sens opposé ; elle provient principalement des ondulations de courant créées dans la boucle d’alimentation par la commutation à grande vitesse des transistors. L’interférence en mode commun apparaît entre les lignes d’alimentation et la ligne de terre (PE), avec des courants de même sens ; elle résulte principalement du couplage vers la terre, via les capacités parasites, des nœuds à forte tension transitoire générés lors des commutations, ainsi que du couplage d’un champ électromagnétique externe. .
L’entrée d’un chargeur embarqué (OBC) est généralement équipée d’un filtre EMI de type pi, utilisant une combinaison d’inductances et de condensateurs pour supprimer les interférences électromagnétiques sur différentes plages de fréquences. L’architecture générale du réseau de filtrage comprend un condensateur X (filtrage en mode différentiel), une bobine commune (choke en mode commun), un condensateur Y (filtrage en mode commun) et une inductance en mode différentiel, disposés séquentiellement depuis le côté réseau, formant ainsi une structure de filtrage à deux étages ou multi-étages. Le premier étage traite principalement les interférences conduites et les harmoniques provenant du réseau, tandis que le second étage a pour rôle d’atténuer davantage les bruits haute fréquence générés par les commutations. 。
Figure 1. Schéma synoptique d’un OBC
2 – Principe de fonctionnement et sélection des matériaux fondamentaux pour les chokes en mode commun
2.1 Principe de fonctionnement
Une bobine de mode commun est enroulée sur un noyau magnétique fermé, avec des enroulements disposés dans des sens opposés et comportant le même nombre de spires, afin d’assurer une forte atténuation du bruit en mode commun. Lorsqu’un courant en mode commun circule, le sens du flux magnétique généré par les enroulements est identique et s’additionne, ce qui confère à la bobine de mode commun une impédance élevée, permettant ainsi d’atténuer efficacement les signaux en mode commun. Lorsqu’un courant en mode différentiel (par exemple, le courant normal de fonctionnement) traverse les deux enroulements, les sens des flux magnétiques créés dans le noyau sont opposés et s’annulent mutuellement, ce qui permet aux signaux en mode différentiel de passer avec une atténuation quasi nulle.
Figure 2. Superposition des champs magnétiques lors du passage d’un courant en mode commun
Figure 3. Annulation mutuelle des champs magnétiques lors du passage d’un courant en mode différentiel
Selon la formule d’impédance d’une bobine de mode commun :
Et la formule d’inductance :
La perméabilité magnétique effective μe du noyau détermine directement l’inductance obtenue pour une taille et un nombre de spires donnés. Plus la perméabilité est élevée, plus l’impédance est forte à taille égale, ce qui produit un effet de filtrage plus puissant .
2.2 Sélection du matériau du noyau magnétique
Les matériaux couramment utilisés pour les bobines de suppression de mode commun comprennent les ferrites manganèse-zinc, les ferrites nickel-zinc, les alliages amorphes et les alliages nanocristallins. Les différences de leurs caractéristiques déterminent leurs domaines d’application respectifs ：
◾ Ferrite : Un choix économique pour les fréquences moyennes à élevées Applications
La ferrite (par exemple Mn-Zn, Ni-Zn) est devenue le matériau privilégié pour les bobines de suppression de mode commun haute fréquence en raison de sa forte résistivité et de ses faibles pertes par courants de Foucault. La ferrite Mn-Zn offre d’excellentes performances dans la bande de fréquences 100 kHz–1 MHz, mais sa température de Curie est relativement basse (environ 120 ℃) ，provoquant une chute brutale de la perméabilité à haute température ; la ferrite Ni-Zn convient aux bandes de fréquence supérieures. Bien que sa perméabilité initiale soit faible (μ < 1000) ，sa stabilité en haute fréquence est supérieure .
◾ Alliages amorphes et nanocristallins : La solution ultime pour les applications haute fréquence et faibles pertes
Les alliages amorphes (tels que ceux à base de fer et à base de cobalt) forment une structure atomique désordonnée grâce à un procédé de trempe rapide, présentant une densité de flux magnétique à saturation extrêmement élevée (Bs = 1,2 T) et des pertes haute fréquence extrêmement faibles. Les alliages nanocristallins développent, par traitement thermique, une structure nanocristalline qui réduit les pertes de plus de 50 % par rapport aux ferrites dans la bande de fréquence 100 kHz – 500 kHz, tout en améliorant nettement la stabilité en température. Ils conviennent aux scénarios exigeant une efficacité stricte, tels que les modules de charge pour véhicules électriques (EV).
2.3 Points clés de sélection pour les bobines de mode commun
（1）Inductance : Sélectionnez l’inductance appropriée en fonction de la fréquence de fonctionnement et des caractéristiques d’interférence du chargeur embarqué. En général, une inductance plus élevée offre une meilleure suppression aux basses fréquences, mais augmente la perte d’insertion du circuit. Typiquement, l’inductance des bobines de mode commun varie entre quelques centaines de microhenrys （μH ）et quelques millihenrys （mH ）.
（2) Courant nominal : Le courant nominal de la bobine de mode commun doit être supérieur au courant de fonctionnement maximal du chargeur embarqué afin d’éviter une dégradation de l’efficacité de l’ensemble du système causée par le chauffage de l’inductance, tout en garantissant une excellente stabilité de l’inductance à son courant nominal.
（3) Caractéristiques en fréquence : Choisissez une bobine de mode commun présentant de bonnes caractéristiques de suppression aux hautes fréquences afin de répondre aux exigences de suppression d’interférences en large bande du chargeur embarqué. Vérifiez la courbe d’impédance en fonction de la fréquence de la bobine de mode commun pour vous assurer qu’elle fournit une impédance suffisante dans la plage de fréquences cible.
Pour les scénarios d’application des chargeurs embarqués (OBC) à haute puissance, les filtres anti-parasites communs de qualité automobile sont principalement motivés par des exigences sur mesure. L’équipe de recherche et développement de CODACA Electronics possède une vaste expérience dans le développement sur mesure de filtres anti-parasites communs et peut fournir rapidement des solutions produits adaptées aux caractéristiques spécifiques demandées par le client.
3 – Principe de circuit filtrant en Pi et points clés pour le choix des inductances en mode différentiel
A π le circuit filtrant se compose de deux condensateurs et d’une inductance en mode différentiel, disposés en forme de la lettre π il exploite l’effet de contournement des condensateurs et l’effet de filtrage des inductances pour supprimer efficacement les interférences en mode différentiel. Dans les chargeurs embarqués, les circuits de filtrage en type π peuvent réduire davantage les signaux d’interférence sur les lignes d’alimentation et améliorer les performances CEM. La fréquence de commutation typique d’un OBC se situe entre 40 kHz et 150 kHz, et les essais d’émission conduite commencent à 150 kHz. Par conséquent, le filtrage en mode différentiel cible principalement le bruit en mode différentiel dans la bande de fréquences allant de 150 kHz à 1 MHz.
La formule de la fréquence de coupure d’un filtre en type π est :
Où Cx est la capacité équivalente des condensateurs X à deux étages du filtre en forme de π. (Dans les conceptions réelles, on utilise fréquemment deux étages de condensateurs X ayant la même capacité, donc la capacité de filtrage équivalente combinée est généralement estimée de façon conservatrice sur la base de la valeur d’un condensateur X à un seul étage). La conception doit garantir que la fréquence de coupure soit nettement inférieure à la fréquence fondamentale de commutation, typiquement fixée à 1/5 à 1/10 de la fréquence de commutation, afin d’assurer que la bande de fréquences d’interférences ciblée se situe dans la bande atténuée du filtre.
3.1 Principe de fonctionnement des inductances en mode différentiel
Une bobine en mode différentiel se compose principalement d’un seul enroulement connecté en série dans la ligne d’alimentation. En exploitant les caractéristiques d’impédance de la bobine face aux courants haute fréquence, elle crée un chemin à haute impédance pour les interférences en mode différentiel entre la ligne L et la ligne N, permettant ainsi l’atténuation du bruit. Lors du choix d’une bobine, les bobines blindées sont privilégiées afin de réduire les rayonnements externes et les interférences extérieures.
(1) Inductance : L’inductance est le paramètre fondamental d’une bobine en mode différentiel, déterminant sa capacité à supprimer le bruit à des fréquences spécifiques. La bande de fréquences cible à filtrer doit être prise en compte lors de la sélection ; une inductance plus élevée procure généralement une atténuation plus marquée du bruit basse fréquence.
(2) Courant nominal : Cela désigne le courant maximal sous lequel l’inductance peut fonctionner en toute sécurité sur le long terme, dans des conditions spécifiées d’élévation de température. La sélection doit garantir que le courant de fonctionnement maximal soit inférieur au courant nominal, avec une marge suffisante (typiquement ＞ 30%).
(3) Résistance continue (DCR) : La résistance continue désigne la résistance interne de l’enroulement de l’inductance en régime continu. Plus la DCR est faible, plus les pertes de puissance générées par le passage du courant continu sont réduites, améliorant ainsi l’efficacité globale.
Puisque les OBC e appartiennent aux applications automobiles, les inductances doivent satisfaire les normes de fiabilité électronique automobile AEC-Q200. Les essais comprennent notamment : les essais de performance électrique, les essais de choc mécanique, les essais de vibration, les essais de résistance des bornes, les essais de brasabilité, les essais d’humidité sous tension, les essais de cyclage thermique, les essais de stockage à haute température, etc. CODACA propose divers types de produits standard de puissance pour l’automobile.
Voici une présentation de certains inducteurs de grade automobile .Pour plus de détails, veuillez consulter le site web officiel de CODACA Electronics à l’adresse https://www.codaca.com.cn/, ou contacter le personnel commercial de CODACA. Les demandes d’information sont les bienvenues.
Légende de la figure : Figure 4. Inductance automobile de CODACA