Brevet FR2954573A1 — publié le 20110624

Transformateur planaire de puissance. L'invention porte sur les composants magnétiques, en particulier les transformateurs planaires (« planar » en langue anglaise) qui sont des composants très compacts et aptes à fournir des courants d'amplitude élevée et à haute fréquence. On rappelle que les transformateurs sont classiquement composés de deux types d'enroulements de spires en cuivre : un enroulement de spires primaires (ou enroulement primaire ou tout simplement primaire) et un enroulement de spires secondaires (ou enroulement secondaire ou secondaire). Ces enroulements sont associés à un circuit magnétique. L'enroulement primaire reçoit l'énergie électrique et génère un champ magnétique. L'enroulement secondaire est traversé par le champ magnétique produit par l'enroulement primaire et fournit un courant alternatif de même fréquence mais avec tension qui peut être supérieure ou inférieure à la tension aux bornes du primaire. Les transformateurs doivent satisfaire plusieurs contraintes. Tout d'abord, les spires doivent avoir une section de cuivre suffisante pour les courants mis en oeuvre et efficace à la fréquence de travail, par exemple 125kHz. Ensuite, il est préférable de maîtriser les couplages capacitifs qui naissent entre les enroulements primaire et secondaire, afin de maîtriser les courants de mode commun HF et ne pas perturber les équipements alimentés au secondaire. Par ailleurs, pour des raisons notamment de limitation de l'encombrement, les enroulements sont couramment réalisés en circuit imprimé. Ils doivent alors être compatibles avec l'épaisseur courante maximale que l'on est techniquement capable d'obtenir, qui est de l'ordre de 5 mm pour les circuits imprimés. Il doit également être possible de réaliser des interconnexions entre les différentes spires du transformateur, compatibles avec les courants mis en jeux. Enfin, le report thermique du transformateur doit être assuré d'une 5 manière ou d'une autre. Pour résoudre ces problèmes, les solutions existantes proposent différentes solutions. Tout d'abord, il est proposé de réaliser la section en cuivre des spires : 10 - en utilisant des conducteurs massifs d'épaisseur importante ; toutefois la forte épaisseur du conducteur est alors favorable au développement de l'effet de peau, ce qui limite fortement son efficacité ; on rappelle que l'effet de peau est la génération d'un courant alternatif parasite à une fréquence donnée, circulant sur les bords des enroulements ; ou 15 - en mettant en parallèle des couches d'épaisseur suffisamment faible pour réaliser les spires, de façon que l'effet de peau n'ait pas d'impact au sein d'une couche ; cependant, les faibles différences de couplage entre les couches disposées en parallèle vont entraîner des tensions induites différentes à leurs bornes, ce qui génère de forts courants de circulation 20 entre les différentes couches, impliquant une augmentation des pertes. Une autre solution propose : de mettre en parallèle des couches d'épaisseur suffisamment faible pour que l'effet de peau n'ait pas d'impact au sein d'une couche, et 25 des entrelacements de spires primaires et secondaires pour annuler le champ magnétique localement. Les différences de couplage entre les spires en parallèle sont alors minimisées et par conséquent les courants de circulation. Par contre, 30 l'entrelacement spires primaires / spires secondaires revenant à alterner les spires primaires et les spires secondaires, les surfaces primaires et secondaires en regard sont maximisées. Ainsi, le couplage capacitif primaire secondaire se trouve alors également accru. De ce fait, classiquement, une partie au moins des couches primaires présente des fronts de variation de tension importants lors des commutations (on parle alors de tension hachée). Une capacité parasite entre les spires primaires et secondaires entraîne alors une circulation de courant de mode commun perturbant la tension délivrée au secondaire. Ce courant peut être maîtrisé de plusieurs façons : - en minimisant la capacité parasite : cela n'annule pas le courant io de mode commun mais permet de le diminuer ; pour cela on peut : • augmenter l'épaisseur d'isolant entre les spires primaires et secondaires ; mais cela entraîne une augmentation de l'épaisseur du transformateur et une dégradation du couplage dans le cas de spires en parallèle ; ou 15 • minimiser la surface en vis-à-vis entre les spires primaires et secondaires ; mais cela est contradictoire avec la nécessité d'entrelacement primaire / secondaire pour la mise en parallèle de couches ; - en supprimant la capacité parasite entre les spires primaires / 20 secondaires en la déplaçant ; pour ce faire on ajoute une couche conductrice dite « écran » entre les spires primaires et secondaires ; cette couche écran est reliée à un potentiel fixe, elle fait office de blindage des spires secondaires vis-à-vis des spires primaires ; les variations de tension au niveau des spires primaires génèrent toujours une circulation de courant, 25 mais ils peuvent être circonscrits aux spires primaires du transformateur ; toutefois cette solution nécessite l'adjonction d'une couche supplémentaire à chaque interface spire primaire / spire secondaire, ce qui augmente l'épaisseur du circuit imprimé. Par ailleurs, aucun transformateur planaire, de forte puissance, 30 c'est-à-dire fonctionnant pour des puissances d'au moins 5kW n'est réalisé en circuit imprimé. II existe des transformateurs planaires réalisés en clinquants (ou plaques) de cuivre qui ne sont pas bien adaptés à des fonctionnements à fréquence élevée. Il existe également des transformateurs bobinés, mais ces derniers ne permettent pas d'obtenir les mêmes niveaux d'intégration et restent relativement lourds. En outre, dans les transformateurs planaires imprimés, les interconnexions sont généralement réalisées par de simples vias. On rappelle que les vias sont des trous métallisés, dont la section cuivre est faible et qui ne sont donc pas aptes au transport de courants importants. Par conséquent, l'application est limitée à de faibles courants, même en cas de mise en parallèle de vias. Dans les transformateurs planaires réalisés par empilage de clinquants de cuivre, les interconnexions sont réalisées par des plots métalliques soudés entre couches. Enfin, dans le cas de transformateurs mettant en oeuvre de fortes puissances, diverses techniques de report thermique sont mises en oeuvre. Tout d'abord la convection naturelle. Néanmoins, celle-ci est inadaptée à un fonctionnement en basse pression (par exemple dans l'aéronautique, les zones non pressurisées). Par ailleurs, elle est réservée à des faibles puissances car elle nécessite d'augmenter la taille du composant pour augmenter la surface d'échange. Ensuite, il existe la convection forcée. Mais celle-ci est inadaptée à un fonctionnement en basse pression (par exemple dans l'aéronautique, les zones non pressurisées). Elle crée du bruit acoustique et nécessite une surface d'échange importante. II est également possible de monter une plaque froide sur le composant par moulage. Mais cela augmente la masse du composant et le coût de mise en oeuvre est élevé. De plus les performances thermiques sont relativement médiocres. Par ailleurs, il est possible d'utiliser un liquide de refroidissement. Là encore, le coût de mise en oeuvre est élevé. Ce moyen est souvent réservé à des applications de très forte puissance. De plus, il nécessite une enceinte étanche ce qui augmente l'encombrement et la masse du transformateur. Enfin il est possible de réaliser un plaquage du « bobinage » (le bobinage pouvant être par exemple un circuit imprimé ou des clinquants de cuivre) contre le circuit magnétique, lui-même plaqué contre la plaque froide. Toutefois, cette méthode comporte des contraintes mécaniques liées à l'empilage (la tolérance de l'empilage versus la tolérance des dimensions du circuit magnétique). De plus, les résistances thermiques spires à spires (donc à travers un isolant électrique qui est souvent un mauvais conducteur thermique) et la résistance thermique du circuit magnétique s'ajoutent, impliquant de médiocres performances thermiques. Un but de l'invention est de résoudre les problèmes énoncés ci-dessus, notamment de proposer un moyen efficace de report thermique pour un transformateur planaire avec un bon niveau d'intégration et apte à fonctionner à des fréquences élevées. A cet effet, il est proposé un transformateur planaire de puissance comprenant un circuit magnétique, au moins un empilement formé d'un enroulement de spires dites primaires et de spires dites secondaires. Selon une caractéristique générale : - les spires primaires et secondaires sont superposées, parallèlement les unes aux autres, avec une alternance entre n1 spires primaires et n2 spires secondaires, n1 et n2 étant des entiers supérieurs ou égaux à 1, - des couches dites écran, réalisées en matériau conducteur, sont 25 intercalées à chaque interface entre une spire primaire et une spire secondaire, et - au moins un plot de connexion massif est disposé à la périphérie de l'empilement, et est apte à connecter des spires choisies entre elles et à les relier à un moyen de refroidissement, de façon à évacuer la chaleur 30 générée par le transformateur. En d'autres termes, l'invention propose : - d'entrelacer couches primaires et couches secondaires, en intercalant une couche écran à chaque interface primaire / secondaire, et - de connecter les spires entre elles à l'aide de plots de connexion qui assurent en même temps le report thermique du transformateur. L'invention a pour avantage de proposer un transformateur apte à fonctionner avec de forts courants à haute fréquence sans effet de peau. En outre, elle propose des plots de connexion qui en plus d'assurer le couplage de différentes spires entre elles, permettent d'évacuer la chaleur du transformateur, inhérente aux fortes puissances mises en jeu. De préférence, l'épaisseur de la couche écran est inférieure à celle d'une spire primaire et à celle d'une spire secondaire. Selon un mode de réalisation, le transformateur peut comprendre deux empilements de spires, les empilements étant superposés face à face et joint à l'aide d'une couche de collage. La superposition de deux empilements dont l'un est retourné, ne perturbe pas l'empilage de l'ensemble. II s'agit là d'un compromis entre des pertes de cuivre et des coûts limités. Selon un mode de réalisation, chaque empilement peut être réalisé sous forme de circuit imprimé. Cela est possible de par l'utilisation de plots de connexion massif, et non de simple vias (ou trous métallisés). Selon un mode de réalisation, le circuit magnétique comporte des fenêtres, dans lesquelles sont disposés les empilements, de façon que les empilements occupent toute occupent toute la largeur disponible des fenêtres. Selon un autre aspect de l'invention, il est proposé une utilisation d'un transformateur tel que décrit ci-avant, au sein d'un convertisseur à découpage. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront 30 à l'examen de la description détaillée de modes de réalisation de l'invention, nullement limitatifs, et des dessins annexés sur lesquels : les figures 1A et 1B illustre un mode de réalisation d'un transformateur selon l'invention, respectivement en coupe et selon une vue de dessus, la figure 2 illustre des empilements de spires primaires/secondaires selon l'invention, la figure 3 illustre un plot de connexion selon l'invention, la figure 4 illustre des plots de connexion selon l'invention, et vus de dessus, et la figure 5 illustre le report thermique effectué par un plot de connexion selon l'invention. On se réfère à la figure 1A qui représente une vue en coupe d'un mode de réalisation d'un transformateur TRF selon un axe A-A représenté sur la figure I B. Celui-ci comprend un circuit magnétique CIRM bien connu de l'homme du métier. Le circuit CIRM est formé dans cet exemple de deux parties PA et PB, l'une en forme de « E » et l'autre en forme de « I », disposées face à face. En variante, les parties PA et PB pourraient avoir toutes les deux une forme de « E », les branches du « E » seraient alors disposées face à face. Le circuit magnétique CIRM forme deux fenêtres FN1 et FN2 dans 20 lesquelles sont placés deux empilements EMP1, EMP2, réalisés sous forme de circuit imprimé Cl. Plus précisément, les empilements EMP1 et EMP2 sont respectivement formés d'un enroulement de spires primaires/secondaires. Dans cet exemple, chaque spire SP entoure la « jambe » centrale de la 25 partie PB en forme de « E » en passant par les fenêtres FN1 et FN2. De préférence, les empilements occupent toute la largeur disponible des fenêtres pour avoir des spires les plus larges possible. De cette façon, les résistances électriques et thermiques des spires sont amoindries. Dans cet exemple, les empilements EMP1 et EMP2 sont des circuits imprimés, et chaque spire SP est une couche du circuit imprimé. En variante, une couche du circuit imprimé peut comprendre plusieurs spires. Les deux circuits imprimés sont reliés par une couche de collage COL. En variante, le transformateur TRF pourrait ne comprendre qu'un seul empilement, donc qu'un seul circuit imprimé. Les empilements EMP1 et EMP2 vont être décrits plus en détail ci-après. La façon dont sont disposés les circuits imprimés par rapport au circuit magnétique CIRM est représenté plus en détail sur la figure 1 B. La figure 1B représente le transformateur TRF vu du dessus. On peut voir la partie PB ici de forme rectangulaire et le circuit imprimé disposé au-dessus EMP1. Celui-ci a grossièrement la forme d'un « O » de façon à entourer la jambe centrale de la partie PA. Le circuit formant l'empilement EMP2 a également cette même forme de « O », de façon que l'on puisse superposer les deux circuits imprimés. Des plots de connexion PLT sont disposés sur le pourtour du circuit imprimé dépassant de la partie PA. Ces derniers seront décrits plus en détail ci-après. La figure 2 illustre plus en détail les empilements EMP1 et EMP2 reliés par une couche de collage COL selon l'invention. La couche de collage COL, peut être faite par exemple avec de la colle acrylique. Bien entendu, comme indiqué ci-avant, il ne pourrait y avoir qu'un seul empilement. Chaque empilement est formé d'une alternance entre une spire primaire SP, une couche écran EC, une spire secondaire SS, une nouvelle couche écran EC et ainsi de suite. Le nombre de spires primaires peut être égal ou non au nombre de spires secondaires. Dans cet exemple, on considère que chaque empilement est un circuit imprimé. Autrement dit, les deux empilements EMP1 et EMP2 sont réalisés à l'aide de deux circuits imprimés reliés entre eux par la couche de collage COL. Ainsi, chaque spire et chaque couche écran est une couche du circuit imprimé. En variante, plusieurs spires peuvent être réalisées au sein d'une même couche selon une technique bien connue de l'homme du métier. Par conséquent, la section de nécessaire pour de forts courants, est obtenue par la mise en parallèle de couches de faible épaisseur supprimant l'effet de peau à la fréquence de travail considérée. Cette mise en parallèle est accompagnée d'un entrelacement primaire/secondaire. Par ailleurs, étant donné qu'aucun courant significatif ne le traverse, la couche écran EC insérée à chaque interface primaire/secondaire permet de blinder le secondaire et de ne pas le perturber par les fortes variations de tension aux bornes du primaire. Pour limiter l'impact de ces couches écran EC sur l'épaisseur du circuit imprimé, celles-ci sont de faible épaisseur (par exemple 17pm de cuivre), car aucun courant n'y circule, hormis le courant lié aux fortes variations aux bornes du primaire. Dans cet exemple, ces couches écran EC sont mises au même potentiel que les couches secondaires. Mais en fonction de l'utilisation, elles peuvent être mises au même potentiel que les couches primaires. Le mode de réalisation illustré sur la figure 2 consiste à empiler deux circuits imprimés l'un sur l'autre. Cette solution permet de surmonter la contrainte d'épaisseur maximale de 5mm des circuits imprimés. Grâce à cette réalisation, l'épaisseur maximale possible est repoussée à 10 mm. De préférence, les deux circuits imprimés empilés sont identiques afin de limiter les travaux de conception et le coût grâce à une production en série. En effet, l'un des circuits est retourné par rapport à l'autre, ce qui impose une symétrie dans l'empilage des couches. On note que cette symétrie s'accorde parfaitement avec un entrelacement primaire/secondaire/couche écran. On se réfère à présent à la figure 3. Celle-ci illustre plus en détail un plot de connexion PLT. Ces derniers ont plusieurs fonctions, à savoir : connecter plusieurs spires entre elles, qu'elles appartiennent 30 ou non au même enroulement/circuit imprimé, et évacuer la chaleur générée par le transformateur. Le plot de connexion est disposé à la périphérie de l'enroulement ENR comme on peut le voir sur la figure 4 qui illustre un empilement EMP vue du dessus. A des fins de simplifications, la spire supérieure de l'empilement est représentée avec une forme circulaire. Sur cet exemple, un empilement comprend trois plots de connexion PLT1, PLT2 et PLT3 décalés autour de l'empilement EMP. Le premier plot PLT1 relie la spire supérieure à une autre spire située au-dessous, tandis que les autres plots PLT2 et PLT3 relient d'autres spires de l'empilement EMP à des spires inférieures situées dans le même empilement ou même un autre empilement disposé au-dessous de celui qui est représenté. En variante, pour chaque plot proposé, est connecté symétriquement par rapport au centre CT de l'enroulement, un autre plot de connexion. Cela permet une meilleure évacuation de la chaleur, comme décrit ci-après. 15 On se réfère à nouveau à la figure 4. Comme on peut le voir, les spires qui doivent être reliées entre elles du premier et du deuxième enroulement sont respectivement connectées à une interface CNX1 et CNX2. Chaque interface CNX1 et CNX2 parcourt toute la surface de l'empilement correspondant, respectivement EMP1 et EMP2. 20 Puis le plot PLT est brasé à l'aide d'un matériau conducteur BRS aux interfaces CNX1 et CNX2 de façon à connecter entre elles les spires qui sont effectivement reliées aux interfaces CNX1 et CNX2 (dans cet exemple la dernière spire du premier empilement et la première spire du deuxième empilement). 25 Les plots de connexion sont en métal massif comme le cuivre ou le laiton. Ils sont particulièrement adaptés à la circulation de forts courants. Dans le cas où une spire aurait la forme d'un « O » déformé comme celle du circuit imprimé représenté sur la figure 1B, les plots de connexion peuvent être très simplement disposés sur le pourtour du circuit 30 imprimé dépassant de la partie PA, comme illustré sur la figure I B. On se réfère à présent à la figure 5. Celle-ci illustre plus en détail la deuxième fonction des plots de connexion, à savoir le report thermique. Sur cet exemple très simplifié, sont représentées deux spires SPI et SP2 connectées à une interface CNX. Cette interface est soudée à un plot de connexion PLT. La base de ce plot est reliée à une plaque froide PLF. La chaleur s'évacue alors en suivant le chemin symbolisé par les flèches. L'invention exploite ainsi le chemin thermique déjà présent dans le transformateur, en particulier si celui-ci est réalisé sous forme de circuit imprimé. En effet, comme illustré plus précisément sur la figure 1, les spires utilisent toute la largeur de la fenêtre du circuit magnétique, afin de drainer les pertes (localisées au sein même des spires) vers les plots PLT connectés aux extrémités de chaque spire avec le minimum de résistance thermique. On parle alors de transfert de chaleur « horizontal ». Puis, le transfert vertical est assuré par les plots de connexion coupant les spires entre elles, et réalisés en cuivre massif. Ils présentent une résistance thermique verticale faible et sont dimensionnés suivant cette contrainte de report thermique. Le cas idéal consiste à ce que chaque spire soit reliée à un plot de 20 connexion (voire à deux plots dans le cas où il existe un plot à chaque extrémité de spire). Cela permet un report thermique optimal. En variante, il est cependant possible qu'une spire ne soit pas reliée directement à un plot de connexion, à condition que les spires des couches voisines le soient. Par exemple, il est possible qu'une spire soit non 25 connectée à un plot, si elle est prise en sandwich entre deux spires elles-mêmes reliées à un plot. Le report thermique est alors assuré de la spire non connectée à un plot vers les spires proches reliées à un plot, au travers de la fine couche d'isolant présente entre les couches, et non représentées à des fins de simplifications. 30 Enfin, le report thermique effectué par ces plots de connexion vers la plaque froide peut être assuré de différentes façons. Dans le cas où les enroulements sont réalisés sous forme de circuits imprimés, la plaque froide peut être brasée directement sur ce circuit, par exemple dans le cas où la plaque froide est un SMI (« Substrat Métallique Isolé » selon la dénomination couramment utilisée par l'homme du métier. Un circuit imprimé par exemple à drain métallique assure alors l'évacuation de la chaleur. La plaque froide peut également être plaquée sur le circuit imprimé au travers d'unun intercalaire thermique souple, isolant électrique et conducteur thermique (par exemple en caoutchouc). REVENDICATIONS1. Transformateur planaire de puissance comprenant un circuit magnétique (CIRM), au moins un empilement formé d'un enroulement de spires dites primaires et de spires dites secondaires, ledit transformateur étant caractérisé par le fait que : - les spires primaires et secondaires sont superposées, parallèlement les unes aux autres, avec une alternance entre n1 spires primaires et n2 spires secondaires, n1 et n2 étant des entiers supérieurs ou égaux à 1, - des couches dites écran (EC), réalisées en matériau conducteur, sont intercalées à chaque interface entre une spire primaire (SP) et une spire 15 secondaire (SS), et - au moins un plot de connexion (PLT) massif est disposé à la périphérie de l'empilement, et est apte à connecter des spires choisies entre elles et à les relier à un moyen de refroidissement, de façon à évacuer la chaleur générée par le transformateur. 20 2. Transformateur selon la revendication précédente, dans lequel l'épaisseur de la couche écran est inférieure à celle d'une spire primaire et à celle d'une spire secondaire. 3. Transformateur selon l'une des revendications précédentes, comprenant deux empilements (EMP1, EMP2) de spires, les empilements 25 étant superposés face à face et joint à l'aide d'une couche de collage (COL). 4. Transformateur selon l'une des revendications précédentes, dans lequel chaque empilement est réalisé sous forme de circuit imprimé. 5. Transformateur selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le circuit magnétique comporte des fenêtres (FN1, FN2), dans 30 lesquelles sont disposés les empilements, de façon que les empilements (EMP1, EMP2) occupent toute la largeur disponible des fenêtres. 6. Utilisation d'un transformateur selon l'une des revendications précédentes, au sein d'un convertisseur à découpage.