Contrer les Menaces des Transitoires dans les Composants Magnétiques

Dans le domaine du génie électrique, les événements transitoires impliquant des composants magnétiques présentent des défis significatifs qui peuvent entraîner des défaillances du système

Comprendre et atténuer ces menaces sont essentiels pour garantir la fiabilité et la longévité des systèmes électriques

Cet article détaillé explore les origines des transitoires électriques dans les magnétiques et propose des stratégies globales pour contrer efficacement ces menacesLes transitoires électriques sont des pics soudains et de courte durée de tension ou de courant qui peuvent provenir de divers stimuli externes tels que des éclairs ou des changements brusques des conditions d'entrée ou de sortie

Cependant, même lorsqu'un système électronique fonctionne dans des conditions nominales, il peut y avoir des transitoires électriques inattendus dans le système liés à des instabilités électriques au sein des composants ou entre les composants

Ces instabilités électriques inhérentes dépendent souvent de la dynamique RLC équivalente et peuvent impliquer des propriétés non linéaires des matériaux avec des impacts fonctionnels non linéaires résultants

Ces conditions dynamiques peuvent provoquer des densités de contrainte inattendues dans le système électronique avec des risques accrus d'EMI, de dysfonctionnement ou de défaillance catastrophique du système

Les variables d'état et les transitoires électriques Les systèmes mécaniques et électriques suivent des lois de la physique qui dépendent des dérivées temporelles des variables d'état

Ces variables contribuent aux réactions d'entrée et de sortie du système aux perturbations transitoires

La combinaison de paramètres dissipatifs et réactifs provoque l'amplification, l'oscillation et la dégradation des signaux de fonctionnement dans le système électrique

Énergie et composants passifs Les résistances peuvent être utilisées pour contrôler la tension ou le courant avec pour conséquence une perte d'énergie

Comme les résistances, les inductances et les condensateurs sont classés comme composants passifs mais peut-être plus précisément décrits comme des composants réactifs car leurs fonctions dépendent des conséquences de l'énergie stockée

Les inductances génèrent une tension opposée pour ralentir le changement de leur courant

Les condensateurs absorbent ou libèrent de la charge pour ralentir le changement de leur tension

Ces principes font que les circuits avec inductances et condensateurs induisent respectivement une tension et un courant pour résister aux changements d'énergie stockée

Les amplitudes induites de tension et de courant sont inversement proportionnelles à la constante de temps des circuits équivalents

Une constante de temps plus petite signifie une décroissance plus rapide et donc l'énergie stockée dans le composant réactif génère des amplitudes de tension ou de courant plus grandes dans l'intervalle de temps plus court pour changer son énergie à un niveau différent

Impacts du transformateur Les transformateurs idéalisés apportent les fonctions supplémentaires de transformation d'impédance dynamique, de sorte qu'une impédance de charge donnée est transformée selon le carré du rapport de transformation, tout en offrant en outre l'option d'isolement si nécessaire dans de nombreuses applications
Cependant, les mises en œuvre réalistes des transformateurs incorporent des composants RLC parasites qui impactent largement la réponse du transformateur aux transitoires ou aux transitions brusques de tension ou de courant

Comme l'électronique de puissance utilise fréquemment des interrupteurs électroniques pour contrôler le flux de courant et l'application de tension, les transitions brusques associées de tension ou de courant comportent des risques d'amplification, d'oscillation, de saturation et de rupture

Susceptibilités du transformateur Comme les transformateurs élévateurs de haute tension sont intrinsèquement chargés de l'auto-capacité de leurs propres enroulements de haute tension, les transformateurs de haute tension comportent des risques supplémentaires de circuits résonants en série formés par la combinaison de l'inductance de fuite inhérente et de l'auto-capacité

Les caractéristiques de magnétisation des matériaux de noyau comportent davantage de risques de magnétisation non linéaire et d'effets de saturation qui rendent le composant magnétique sensible aux phases d'allumage / d'extinction, aux déséquilibres de volt-seconde et à d'autres fonctions altérées par la magnétisation résiduelle

Courants de Foucault Comme les transitoires se produisent sur un intervalle de temps plus court que la fréquence fondamentale de fonctionnement, leurs harmoniques de haute fréquence entraînent des densités de contrainte dynamique qui sont impactées par les courants de Foucault induits à l'intérieur des volumes conducteurs du noyau et de la bobine

Ces courants de Foucault de haute fréquence induits provoquent des flux de foule sur les surfaces extérieures des laminations et des foules de courant en particulier dans les conducteurs voisins des enroulements primaires et secondaires à partir de l'effet de proximité magnétique

Intensité du champ électrique Les tensions transitoires élevées causent les plus grands risques de rupture dans les régions de plus forte intensité de champ électrique

L'intensité maximale du champ électrique induite entre les conducteurs isolés dépend de leur différence de potentiel moyenne, de l'épaisseur du diélectrique séparateur et de la géométrie des conducteurs opposés

Les petits fils ou conducteurs ruban peuvent provoquer un petit rayon de courbure aux bords des couches d'enroulement

Les bords aigus résultants peuvent augmenter la contrainte électrique locale microscopique d'un facteur supérieur à 3 fois la contrainte électrique moyenne

Les incohérences dans le diélectrique séparateur peuvent augmenter davantage la contrainte du champ électrique en particulier aux vides ou aux fissuresL'intensité maximale du champ électrique induite par le transitoire, en tenant compte de ces effets d'amplification du champ, peut alors provoquer une décharge partielle et augmenter le risque de défaillance prématurée de l'isolationAtténuations du développement de produit Un plan pour l'atténuation des risques transitoires dans l'ensemble du processus de conception et de développement peut inclure des DOE (Design of Experiments) réalisés sur des matériaux sélectionnés lorsque des densités de contrainte à haut risque sont anticipées

De plus, des sous-ensembles sélectionnés peuvent être construits pour simuler empiriquement une partie d'un assemblage complexe pour vérifier le succès des RRT (Risk Reduction Tests) avant de procéder à la construction d'un prototype réel

Des tests de stress accélérés réalisés sur des prototypes sélectionnés peuvent vérifier les marges de conception en sondant les modes de défaillance induits

Par conséquent, le plan de développement de nouveaux produits peut inclure ces jalons planifiés de DOEs, RRTs et ASTs pour réduire les risques lors de la vérification de la conception

Exemple de transformateur élévateur En revenant au cas du transformateur élévateur de haute tension, nous pouvons imaginer un circuit d'application d'électronique de puissance qui crée une mise sous tension abrupte de la tension primaire à partir d'un état de démarrage de zéro sortie

La tension de sortie résultante montrera naturellement une oscillation et une sortie qui dépasse la sortie attendue (appelée dépassement) due à la charge interne inhérente de l'inductance de fuite parasite et de l'auto-capacité

Dans cet exemple pour une alimentation électronique fonctionnant à 100 kHz en fonctionnement normal, le dépassement est 70% plus grand que la sortie nominale avec une fréquence d'oscillation 35 fois supérieure à la fréquence de fonctionnement normale

De même, à l'extinction, la sortie se caractérise par une tension inverse excessive (appelée rebond) due aux composants parasites inhérents associés à cet intervalle de temps

Dans cet exemple, ces composants provoquent une tension de rebond

A closing example is the design of a Magnetorquer to create a magnetic moment for interaction with the Earth’s magnetic field for the purpose of yielding a required torque. After turn off, the remanence magnetic moment should be accurately measured and sufficiently mitigated as needed to assure proper operating function of the system.

Summary Recommendations

In conclusion, this article has reviewed the natural tendencies of an electronic system to be vulnerable to the risks of unexpected electrical transients. Selected examples have been shown to illustrate various technical considerations with suggested mitigation strategies. Following is a summary list of recommendations to reduce transient risk when designing and developing magnetics for electronics applications:

•              Since electrical transients contain largely high frequency harmonic components, use high bandwidth instruments to detect latent transient amplification and persistent ringing even at normal operating conditions of the system.

•              Correlate observed transient waveforms to particular RLC components within the operating circuits. Reduce prioritized risks using appropriate mitigation actions in the design phase with related special test controls in production as needed.

•              Evaluate possibilities of net DC polarization and latent bias currents for magnetics in switched mode circuits without capacitor blocks.

•              Check flux density headroom from remanence for worst case phasing of voltage at turn on considering minimum operating frequency and maximum voltage and temperature.

•              Verify current transformers responsible for circuit protection can detect transient overcurrent despite saturation reduced output.

•              Verify residual magnetization does not cause unacceptable residual magnetic moment at turn off in electromechanical applications.

•              Use appropriate additional surge arresting devices to protect circuits susceptible to lightning.

Victor W. Quinn

US Director of Engineering & Technology

Exxelia Magnetics