Brevet FR3098002A1 — publié le 20210101

Description Titre de l'invention : Transformateur électrique ayant une répartition d'inductance de fuite contrôlée Domaine technique [0001] La présente invention se rapporte au domaine des transformateurs électriques, par exemple intégrés à des convertisseurs de tension résonnants ou à tout autre type de convertisseurs de puissance. [0002] La présente invention vise en particulier à permettre de contrôler la répartition de l'inductance de fuite dans un transformateur électrique. Technique antérieure [0003] Un transformateur élechique permet le transfert d'énergie électrique d'un circuit primaire à un circuit secondaire. [0004] Comme cela est connu, dans un transformateur électrique, on utilise un noyau ma- gnétique et des bobinages dans lesquels circulent un courant élechique qui génère un champ magnétique permettant le transfert d'énergie électrique du circuit primaire au circuit secondaire. Plus précisément, dans un transformateur électrique, en particulier dans un convertisseur à inductance magnétisante ou dans un convertisseur résonnant, on a un bobinage primaire et un bobinage secondaire, formés par des enroulements autour d'un noyau magnétique, entre lesquels est transférée de l'énergie électrique. [0005] Tout transformateur électrique présente une inductance de fuite, qui se traduit par une perte d'efficacité car une partie du flux magnétique créé au circuit primaire n'est pas captée par les enroulements du circuit secondaire. Des pertes supplémentaires peuvent en outre apparaître sur les enroulements. Dans le cas de convertisseurs de tension non résonnants, des surtensions peuvent par ailleurs survenir. La géométrie des bobinages d'un transformateur électrique, de même que le choix des matériaux magnétiques utilisés pour le noyau magnétique, ou encore la géométrie dudit noyau magnétique, notamment, sont configurés pour respecter des critères électriques et magnétiques. Un objectif du dimensionnement d'un tnnsformateur électrique réside notamment dans la maîtrise de la valeur de l'inductance de fuite du transformateur électrique. [0006] 11 est également bien connu que, dans un transformateur électrique, au circuit primaire, une inductance de résonnance peut être connectée en série avec le bobinage primaire. [0007] Quelles que soient les applications envisagées, l'inductance de résonnance est notamment dimensionnée comme un composant discret, qui fonctionne avec un transformateur électrique lui-même dimensionné comme un composant discret. Cependant, un tel transformateur électrique peut être configuré soit pour minimiser les fuites de 2 flux magnétique, soit de telle sorte que l'inductance de résonance soit intégrée audit transformateur électrique en tant qu'inductance de fuite, de façon à supprimer un composant électronique de puissance discret et ainsi réduire le coût et l'encombrement du circuit correspondant. [0008] Un problème technique découle ainsi du choix d'intégrer l'inductance de résonnance dans le transformateur électrique en exploitant son inductance de fuite ; cela suppose en effet de contrôler la répartition de la valeur de l'inductance de fuite du transformateur électrique entre le circuit primaire et le circuit secondaire. [0009] A titre d'illustration, la figure 1 montre un schéma électrique équivalent d'un convertisseur résonnant LLC parfait, avec une tension d'entrée Vsiii.'.A, une tension de sortie VourF'A et une résistance de sortie R1-11A- La capacité de résonnance Cs et l'inductance de résonnance Ls sont en série et l'inductance magnétisante Lp est en parallèle de la sortie du convertisseur résonnant LLC. En général, dans un convertisseur résonnant LLC, il est souhaitable de placer l'inductance de résonnance Ls au circuit primaire. [0010] Sur la figure 2, il est représenté un schéma électrique équivalent d'un convertisseur résonnant LLC2, selon un modèle de transformateur électrique non parfait, n étant le rapport de transformation du convertisseur résonnant LLC2, avec une inductance de fuite non négligeable au circuit secondaire. [0011] L'inductance de résonnance est ici intégrée au convertisseur résonnant LLC2, au sens où il n'y a pas de composant électronique Ls discret. L'inductance de fuite du transformateur électrique assure la fonction d'inductance de résonnance et comprend une composante au circuit primaire Li,K1 et une composante au circuit secondaire LI K2. [0012] De façon à faire coïncider le modèle non parfait du transformateur électrique au plus proche du circuit équivalent du circuit résonnant LLC parfait représenté sur la figure 1, il est essentiel que la valeur de l'inductance de fuite au circuit primaire L, Ki soit proche de la valeur de l'inductance de résonnance Ls, tout en minimisant la valeur de l'inductance de fuite au ch-cuit secondaire Liu, de telle sorte que l'inductance de fuite au circuit secondaire L, K2 soit négligeable devant l'inductance de fuite au ch-cuit primaire L, KI. Autrement dit, on cherche à ce que la valeur de l'inductance de fuite au circuit secondaire L'Ac soit inférieure, voire négligeable devant la valeur de l'inductance de fuite au ch-cuit primaire L'A REVENDICATIONSTransformateur électrique comprenant un noyau magnétique et un bobinage primaire, formant un circuit primaire, et un bobinage secondaire, formant un circuit secondaire, transformateur électrique configure dc sorte que : une première valeur LI,' d'inductance mesurée au circuit primaire avec le circuit secondaire ouvert, une deuxième valeur Lls, d'inductance mesurée au circuit primaire avec le circuit secondaire court-circuité, et une troisième valeur L21,' d'inductance mesurée au circuit secondaire avec le circuit primaire ouvert, sont telles que : [Math.16] L 0 - 12L avec IMath.171 L m - vr(_lso- Liss)x Liso,N" où A est un nombre réel supérieur à 10. [Revendication 2] Transformateur électrique selon la revendication 1, dans lequel A est un nombre réel supérieur ou égal à 50. [Revendication 3] Transformateur électrique selon la revendication 1 ou 2, dans lequel A est un nombre réel inférieur ou égal à 100. [Revendication 4] Procédé de réalisation d'un transformateur, ledit transformateur électrique présentant un noyau magnétique (F), un circuit primaire et un circuit secondaire, ledit procédé comprenant les étapes suivantes : la sélection (E2) d'une géométrie de noyau magnétique (F) pour le transformateur électrique à réaliser ; la détermination (E3) d'une épaisseur d'entrefer (G) correspondant à une valeur souhaitée d'inductance magnétisante (LM) du transformateur électrique à réaliser ; l'enroulement (E4) d'enroulements secondaires (2) sur un noyau magnétique (F) ayant la géométrie sélectionnée et l'épaisseur d'entrefer (G), de façon à recouvrir ledit entrefer (G) ; la détermination (ES) d'une valeur de reluctance de fuite (Rfuite) du transformateur électrique en fonction du ratio entre une valeur souhaitée d'inductance de fuite (Lf1) au circuit primaire du transformateur 13 [Revendication 5] [Revendication 6] [Revendication 7] électrique à réaliser, et la valeur souhaitée de l'inductance magnétisante (LM) du transformateur électrique à réaliser ; la détermination (E6) d'une distance h entre des enroulements primaires (1), destinés à former le circuit primaire du transformateur électrique à réaliser et les enroulements secondaires (2), en fonction de ladite valeur de reluctance de fuite (Rfuite) ; l'enroulement (E7) des enroulements primaires (1) sur le noyau magnétique (F) du transformateur électrique à ladite distance h des enroulements secondaires (2). Procédé selon la revendication 4, dans lequel le noyau magnétique est sélectionné de type E ou de type EL Procédé selon la revendication 5, dans lequel on met en oeuvre l'équation [Math.18] 2 ,P oS L m =7,7- e, où NI est le nombre d'enroulements au circuit primaire, po est la perméabilité électromagnétique de l'air et S est la surface effective de section magnétique du transformateur électrique, pour déterminer la valeur de l'épaisseur e de l'entrefer (G) requise, correspondant à la valeur souhaitée de l'inductance magnétisante LM. Procédé selon la revendication 5 ou 6, dans lequel on met en oeuvre les équations IMath.19] 1 * e Rgap = où Rga,, est la reluctance de l'entrefer (G) du transformateur électrique, po est la perméabilité électromagnétique de l'air, e est l'épaisseur de l'entrefer (G) du transformateur électrique et S est la surface effective de section magnétique du transformateur électrique et [Math. 20] Rgap Lf1 Rfuite où Rfuite est la reluctance de fuite du transformateur électrique, Lfl est l'inductance de fuite au circuit primaire du transformateur électrique et LM est l'inductance magnétisante du transformateur électrique, pour déterminer (E5) la valeur de la reluctance de fuite (Rfuite) du 14 [Revendication 8] transformateur électrique. Procédé selon l'une des revendications 5 à 7, dans lequel on met en oeuvre l'équation : [Math.21] Rfuite - 2111 0 * h im où Rfuite est la reluctance de fuite du transformateur électrique, po est la perméabilité électromagnétique de l'air, m est la profondeur de noyau magnétique du transformateur électrique et lest la largeur d'une zone de fuite électromagnétique (S1) entre les enroulements primaires (1) et les enroulement secondaires (2), correspondant à la distance séparant une jambe extérieure et une jambe centrale du noyau magnétique (F) de type E ou de type ET, pour déterminer (E6) la valeur de la distance h entre les enroulements primaires (1) et les enroulements secondaires (2).