Brevet FR3116372A1 — publié le 20220520

Ce dispositif électrique comporte : un premier groupe de bobines (P1a, P1b, S1) enroulées autour d’une branche (N1) d’un noyau magnétique (N) pour être couplées magnétiquement entre elles ; un deuxième groupe de bobines (P2a, P2b, S2) enroulées autour d’une branche (N2) d’un noyau magnétique (N) pour être couplées magnétiquement entre elles ; des composants électriques (Q1, Q2, Cf, D1, D2, Cs) ; et - une carte de circuit imprimé (108) portant les composants électriques (Q1, Q2, Cf, D1, D2, Cs) et les groupes de bobines couplées et présentant des pistes conductrices (T1a, T1b, T2a, T2b, T1s, T2s, Ts, T) connectant au moins une bobine du premier groupe (P1a, P1b, S1) à au moins un des composants électriques (Q1, Q2, Cf, D1, D2, Cs) et au moins une bobine du deuxième groupe (P2a, P2b, S2) à au moins un des composants électriques (Q1, Q2, Cf, D1, D2, Cs). Il comporte en outre au moins un connecteur électrique (Ba, Bb, Bs) externe à la carte de circuit imprimé (108) et connectant au moins une bobine (P1a, P1b, S1) du premier groupe à une bobine (P2a, P2b, S2) du deuxième groupe, deux deuxième extrémités respectives de ces deux bobines étant connectées aux pistes conductrices de la carte de circuit imprimé (108). Figure pour l’abrégé : Fig. 1 DISPOSITIF ELECTRIQUE A DEUX GROUPES DE BOBINES COUPLEES PORTES PAR UN CARTE DE CIRCUIT IMPRIME, CONVERTISSEUR DE TENSION COMPORTANT UN TEL DISPOSITIF ELECTRIQUE ET PROCEDE DE FABRICATION D’UN TEL DISPOSITIF ELECTRIQUE La présente invention concerne un dispositif électrique à deux groupes de bobines couplées portés par une carte de circuit imprimé, un convertisseur de tension comportant un tel dispositif électrique et un procédé de fabrication d’un tel dispositif électrique. On connait de l’état de la technique un dispositif électrique du type comportant : un premier groupe de bobines enroulées autour d’une branche d’un noyau magnétique pour être couplées magnétiquement entre elles ; un deuxième groupe de bobines enroulées autour d’une branche d’un noyau magnétique pour être couplées magnétiquement entre elles ; des composants électriques ; une carte de circuit imprimé portant les composants électriques et les groupes de bobines couplées et présentant des pistes conductrices connectant au moins une bobine du premier groupe à au moins un des composants électriques et au moins une bobine du deuxième groupe à au moins un des composants électriques. Il peut être souhaité de prévoir tel dispositif électrique présentant des pertes électriques réduites. Il est donc proposé un dispositif électrique du type précité, caractérisé en ce qu’il comporte en outre au moins un connecteur électrique externe à la carte de circuit imprimé et connectant une bobine du premier groupe à une bobine du deuxième groupe, deux deuxième extrémités respectives de ces deux bobines étant connectées aux pistes conductrices de la carte de circuit imprimé. Ainsi, grâce à l’invention, le nombre de connexion entre les bobines et les pistes de la carte de circuit imprimé est réduit par rapport au cas où chaque paire de bobines devant être connectées entre elles, le sont par des pistes de la carte de circuit imprimé. Or, ces connexions sont sources de pertes électriques. La diminution de leur nombre permet donc de réduire les pertes électriques. De façon optionnelle, chaque connecteur électrique comporte une barre de conduction électrique, qui forme notamment un conducteur rigide. De façon optionnelle également, le premier groupe de bobines comporte des première, deuxième et troisième bobines et le deuxième groupe de bobines comporte des première, deuxième et troisième bobines. De façon optionnelle également, le au moins un connecteur électrique comporte : un premier connecteur électrique connectant ensemble deux premières extrémités respectives des deux premières bobines ; un deuxième connecteur électrique connectant ensemble deux premières extrémités respectives des deux deuxièmes bobines ; et un troisième connecteur électrique connectant ensemble deux premières extrémités des deux troisièmes bobines. De façon optionnelle également, le dispositif électrique comporte en outre un noyau magnétique comportant une première branche, une deuxième branche et une troisième branche se rejoignant en leurs extrémités et présentant des réluctances respectives, la réluctance de la troisième branche étant inférieure à la fois à celle de la première branche et celle de la deuxième branche. De façon optionnelle également, au moins une des bobines du premier groupe est conçue pour générer un premier flux magnétique dans la première branche, rebouclant par la troisième branche, au moins une des bobines du deuxième groupe est conçue pour générer un deuxième flux magnétique dans la deuxième branche, rebouclant par la troisième branche, et ces bobines générant les premier et deuxième flux magnétiques sont enroulées dans des sens d’enroulement respectifs tels que les premier et deuxième flux magnétiques parcourent la troisième branche dans des directions opposées. Il est également proposé un convertisseur de tension comportant un dispositif électrique selon l’invention. En particulier, le convertisseur forme un convertisseur direct à accumulation. Il est également proposé un procédé de fabrication d’un dispositif électrique selon l’invention, comportant : l’obtention des premier et deuxième groupes de bobines couplées avec le ou les connecteurs électriques ; la fixation des premier et deuxième groupes de bobines couplées sur la carte de circuit imprimé ; et la connexion des bobines et des connecteurs électriques aux pistes de la carte de circuit imprimé. L’invention sera mieux comprise à l’aide de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d’exemple et faite en se référant aux dessins annexés dans lesquels : la est une vue simplifiée d’un système électrique comportant un convertisseur de tension selon un exemple de l’invention, la est une en coupe d’un noyau magnétique à trois branches avec deux bobines enroulées respectivement autour de deux des trois branches, le flux magnétique résultant d’une excitation de ces bobines étant illustré, et la est un schéma-bloc d’un procédé de fabrication du convertisseur de tension de la . En référence à la , un système électrique 100 comportant un dispositif électrique 102 mettant en œuvre l’invention va à présent être décrit. Un tel système électrique 100 peut par exemple être utilisé dans un véhicule automobile. Le système électrique 100 comporte tout d’abord une source de tension 104 conçue pour fournir une tension d’entrée Ve qui est continue. La source de tension 104 comporte par exemple une batterie de véhicule automobile. Le système électrique 100 comporte en outre une charge électrique 106, telle que des accessoires électriques de véhicule automobile ou une source de tension de tension nominale inférieure à celle de la source de tension 104. Dans l’exemple décrit, le dispositif électrique 102 est un convertisseur de tension continu-continu conçu pour recevoir la tension d’entrée Ve et pour fournir à la charge électrique 106 une tension de sortie Vs continue. Plus précisément, dans l’exemple décrit, le convertisseur électrique 102 est un convertisseur direct à accumulation (de l’anglais « flyback-forward converter »), c’est-à-dire la combinaison d’un convertisseur à accumulation (de l’anglais « flyback converter ») et d’un convertisseur direct (de l’anglais « forward converter »). Le dispositif électrique 102 comporte tout d’abord une carte de circuit imprimée 108 (de l’anglais « Printed Circuit Board ») portant divers composants électriques et sur laquelle s’étendent des pistes conductrices (de l’anglais « conductive tracks ») connectant ces composants entre eux. Le dispositif électrique 102 comporte en particulier, portés par la carte de circuit imprimée 108, une borne positive (+) et une borne négative (-) connectées respectivement à des bornes positive et négative de la source de tension 104, ainsi que deux interrupteurs Q1, Q2 et une capacité Cf, dite de vol (de l’anglais « fly capacitor »), connectée entre les deux interrupteurs Q1, Q2, l’ensemble Q1, Q2, Cf étant connecté entre les bornes positive (+) et négative (-). Le dispositif électrique 102 comporte en outre un double transformateur 110 destiné au stockage et à la restitution d’énergie électrique dans l’exemple décrit. Le double transformateur 110 comporte tout d’abord un noyau magnétique N, par exemple en matériau ferrite. Le noyau magnétique N comporte trois branches N1, N2, N3 se rejoignant en leurs deux extrémités, c’est-à-dire qu’elles présentent des premières extrémités respectives se rejoignant, ainsi que des deuxièmes extrémités respectives se rejoignant. Dans l’exemple décrit, les branches N1, N2 sont en forme de C, tandis que la branche N3 est en forme de I et s’étend entre les deux autres. Les branches N1, N2, N3 présentent des réluctances respectives telles que la réluctance de la branche N3 soit inférieure, de préférence au moins dix fois, de préférence encore cent fois, à la fois à la réluctance de la branche N1 et à la réluctance de la branche N2. Dans l’exemple décrit, les branches N1, N2 présentent respectivement des entrefers E1, E2 (« air-gap » en anglais). Chacun des entrefers E1, E2 peut être laissé rempli d’air, ou bien il peut être rempli d’un matériau de faible perméabilité (perméabilité relative de l’air ou dudit matériau proche de 1). Le double transformateur 110 comporte en outre un premier groupe de bobines enroulées autour de la branche N1 pour être couplées magnétiquement entre elles. Dans l’exemple décrit, le premier groupe de bobines comporte des première, deuxième et troisième bobines P1a, P1b, S1. Ainsi, le noyau magnétique N et les bobines du premier groupe forment un premier transformateur, avec les bobines P1a, P1b formant des bobines primaires et la bobine S1 formant une bobine secondaire du premier transformateur. Le double transformateur 110 comporte en outre un deuxième groupe de bobines enroulées autour de la branche N2 pour être couplées magnétiquement entre elles. Dans l’exemple décrit, le deuxième groupe de bobines comporte des première, deuxième et troisième bobines P2a, P2b, S2. Ainsi, le noyau magnétique N et les bobines du deuxième groupe forment un deuxième transformateur, avec les bobines P2a, P2b formant des bobines primaires et la bobine S2 formant une bobine secondaire de ce second transformateur. Les bobines sont parfois également appelées « self ». Une première extrémité de la bobine P1a est connectée entre l’interrupteur Q1 et la capacité Cf par une piste conductrice T1a et une première extrémité de la bobine P2a est connectée au deuxième interrupteur Q2 par une piste conductrice T2a, en particulier entre le deuxième interrupteur Q2 et la borne négative (-) de la source de tension. Le dispositif électrique 102 comporte en outre un connecteur électrique Ba connectant ensemble des deuxièmes extrémités des bobines P1a, P2a. Une première extrémité de la bobine P1b est connectée au premier interrupteur Q1 par une piste conductrice T1b, en particulier entre le premier interrupteur Q1 et la borne positive (+) de la source de tension 104 ; et une première extrémité de la bobine P2b est connectée entre l’interrupteur Q2 et la capacité Cf par une piste conductrice T2b. Le dispositif électrique 102 comporte en outre un connecteur électrique Bb connectant ensemble des deuxièmes extrémités des bobines P1b, P2b. Des premières extrémités des bobines S1, S2 sont connectées ensemble par un connecteur électrique Bs. Le dispositif électrique 102 comporte en outre, portées par la carte de circuit imprimé 108, une capacité de sortie Cs présentant la tension de sortie Vs, et deux diodes D1, D2 connectées entre respectivement des deuxième extrémités des bobines S1, S2 par des pistes conductrices T1s, T2s et une première borne de la capacité de sortie Cs par une piste conductrice T. Les diodes D1, D2 peuvent être remplacées par des interrupteurs. En outre, le connecteur électrique Bs est connecté à une deuxième borne de la capacité de sortie Cs par une piste conductrice Ts. Les connecteurs électriques Ba, Bb, Bs sont externes à la carte de circuit imprimé 108 et comportent par exemple chacun une barre de conduction électrique (de l’anglais « busbar »). Les connecteurs électriques Ba, Bb, Bs permettent de limiter le nombre de connexions entre le double transformateur 110 et les pistes conductrices de la carte de circuit imprimée. Dans l’exemple décrit, ce nombre est limité à sept, alors qu’il serait de douze si les bobines étaient connectées entre elles via des pistes électriques de la carte de circuit imprimé 108. Lorsque les interrupteurs Q1, Q2 sont alternativement fermés et ouverts, les bobines du premier groupe génèrent un flux magnétique dans la branche N1, rebouclant par la branche N3, et les bobines du deuxième groupe génèrent un flux magnétique dans la branche N2, rebouclant par la troisième branche N3. Les bobines sont enroulées dans des sens d’enroulement respectifs tels que les flux magnétiques parcourent la branche N3 dans des directions opposées. Ainsi, le flux magnétique total dans la branche N3 est très faible par rapport aux flux parcourant les autres branches N1, N2. Notamment, le flux magnétique total dans la branche N3 présente une valeur moyenne ou une valeur alternative quasiment nulle. Cet effet est visible sur la qui représente le champ magnétique dans un noyau magnétique N’ à trois branches, similaire au noyau magnétique N de la , avec deux bobines enroulées de manière à respectivement générer deux flux magnétiques de sens opposés dans la troisième branche. De retour à la , du fait de ce relativement faible flux magnétique total, la branche N3 peut présenter une petite section, en tout cas plus petite que la section de deux branches accolées de deux noyaux magnétiques de l’état de la technique. Comme la branche N3 est petite, les bobines P1a, P2a sont relativement proches l’une de l’autre, de sorte que la longueur du connecteur électrique Ba être réduite. De même la longueur des connecteurs électriques Bb et Bs est également réduite. Cette longueur réduite des connecteurs électriques Ba, Bb, Bs permet de réduire les pertes. Le fonctionnement du système électrique 100 est par exemple similaire au convertisseur direct à accumulation décrit dans la publication de demande de brevet FR3042661 A1, dont le contenu en ce qui concerne la fonction de chaque bobine P1a, P1b, S1, P2a, P2b, S2 en fonction de la configuration des interrupteurs Q1, Q2 est intégré à la présente demande. Par ailleurs, les courants sortant des bobines S1, S2 en direction de la capacité de sortie Cs sont chacun principalement alternatif et s’ajoutent dans la piste conductrice Ts pour former un courant principalement continu. Or, le connecteur électrique Bs peut présenter une section beaucoup plus importante que celle des pistes électriques de la carte de circuit imprimé 108 et est donc beaucoup plus intéressant pour le transport des courants alternatifs. En particulier, l’épaisseur du connecteur électrique Bs peut dépasser 1 mm, tandis que l’épaisseur d’une piste conductrice est généralement limitée à une centaine de µm et l’utilisation de plusieurs pistes conductrices empilées pour augmenter l’épaisseur conduit à de fortes pertes dues aux interactions entre les pistes conductrices. En référence à la , un procédé 300 de fabrication du convertisseur de tension 102 va à présent être décrit. Au cours d’une étape 302, le double transformateur 110 est obtenu, avec les bobines P1a, P1b, S1 et P2a, P2b, S2 enroulées autour du noyau magnétique N, comme illustré sur la , et les connecteurs électriques Ba, Bb, Bs connectés aux bobines comme illustré sur la . Au cours d’une étape 304, le double transformateur 110 est fixé sur la carte de circuit imprimé 108. Au cours d’une étape 306, les bobines P1a, P1b, S1, P2a, P2b, S2 et le connecteur Bs sont connectés aux pistes de la carte de circuit imprimé 108. Il sera apprécié que le double transformateur 110 est obtenu d’un seul bloc dans l’exemple décrit, ce qui simplifie sa manipulation et son intégration. Au contraire, dans l’état de la technique, deux blocs distincts (un bloc pour chaque transformateur) doivent être gérés ou bien un support doit être prévu pour regrouper les deux transformateurs. En particulier, les étapes de fixation et de connexion ne sont réalisées qu’une seule fois dans l’invention alors qu’elles doivent être dédoublées dans le procédé de l’état de la technique, lorsque deux transformateurs indépendants sont utilisés. Il apparaît clairement qu’un dispositif électrique tel que celui décrit précédemment permet de réduire les pertes électriques en réduisant le nombre de connexion entre les bobines des transformateurs et les pistes de la carte de circuit imprimé. On notera par ailleurs que l’invention n’est pas limitée aux modes de réalisation décrits précédemment. Il apparaîtra en effet à l'homme de l'art que diverses modifications peuvent être apportées aux modes de réalisation décrits ci-dessus, à la lumière de l'enseignement qui vient de lui être divulgué. En particulier, des troisième et/ou quatrième branches pourraient être prévues sur les côtés externes du noyau magnétique N. Dans la présentation détaillée de l’invention qui est faite précédemment, les termes utilisés ne doivent pas être interprétés comme limitant l’invention aux modes de réalisation exposés dans la présente description, mais doivent être interprétés pour y inclure tous les équivalents dont la prévision est à la portée de l'homme de l'art en appliquant ses connaissances générales à la mise en œuvre de l'enseignement qui vient de lui être divulgué. Dispositif électrique comportant : un premier groupe de bobines (P1a, P1b, S1) enroulées autour d’une branche (N1) d’un noyau magnétique (N) pour être couplées magnétiquement entre elles ; un deuxième groupe de bobines (P2a, P2b, S2) enroulées autour d’une branche (N2) d’un noyau magnétique (N) pour être couplées magnétiquement entre elles ; des composants électriques (Q1, Q2, Cf, D1, D2, Cs) ; et une carte de circuit imprimé (108) portant les composants électriques (Q1, Q2, Cf, D1, D2, Cs) et les groupes de bobines couplées et présentant des pistes conductrices (T1a, T1b, T2a, T2b, T1s, T2s, Ts, T) connectant au moins une bobine du premier groupe (P1a, P1b, S1) à au moins un des composants électriques (Q1, Q2, Cf, D1, D2, Cs) et au moins une bobine du deuxième groupe (P2a, P2b, S2) à au moins un des composants électriques (Q1, Q2, Cf, D1, D2, Cs) ; caractérisé en ce qu’il comporte en outre : au moins un connecteur électrique (Ba, Bb, Bs) externe à la carte de circuit imprimé (108) et connectant au moins une bobine (P1a, P1b, S1) du premier groupe à une bobine (P2a, P2b, S2) du deuxième groupe, deux deuxième extrémités respectives de ces deux bobines étant connectées aux pistes conductrices de la carte de circuit imprimé (108). Dispositif électrique selon la revendication 1, dans lequel chaque connecteur électrique (Ba, Bb, Bs) comporte une barre de conduction électrique. Dispositif électrique selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le premier groupe de bobines comporte des première, deuxième et troisième bobines (P1a, P1b, S1) et dans lequel le deuxième groupe de bobines comporte des première, deuxième et troisième bobines (P2a, P2b, S2). Dispositif électrique selon la revendication 3, dans lequel le au moins un connecteur électrique (Ba, Bb, Bs) comporte : un premier connecteur électrique (Ba) connectant ensemble deux premières extrémités respectives des deux premières bobines (P1a, P2a) ; un deuxième connecteur électrique (Bb) connectant ensemble deux premières extrémités respectives des deux deuxièmes bobines (P1b, P2b) ; et un troisième connecteur électrique (Bs) connectant ensemble deux premières extrémités des deux troisièmes bobines (S1, S2). Dispositif électrique selon la revendication 1 ou 2, comportant en outre un noyau magnétique (N) comportant une première branche (N1), une deuxième branche (N2) et une troisième branche (N3) se rejoignant en leurs extrémités et présentant des réluctances respectives, la réluctance de la troisième branche (N3) étant inférieure à la fois à celle de la première branche (N1) et celle de la deuxième branche (N2). Dispositif électrique selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel au moins une des bobines du premier groupe est conçue pour générer un premier flux magnétique dans la première branche (N1), rebouclant par la troisième branche (N3), dans lequel au moins une des bobines du deuxième groupe est conçue pour générer un deuxième flux magnétique dans la deuxième branche (N2), rebouclant par la troisième branche (N3), et dans lequel ces bobines générant les premier et deuxième flux magnétiques sont enroulées dans des sens d’enroulement respectifs tels que les premier et deuxième flux magnétiques parcourent la troisième branche dans des directions opposées. Convertisseur de tension comportant un dispositif électrique selon l’une quelconque des revendications 1 à 6. Convertisseur de tension selon la revendication précédente, formant un convertisseur direct à accumulation. Procédé de fabrication d’un dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, comportant : l’obtention (302) des premier et deuxième groupes de bobines couplées avec le ou les connecteurs électriques (Ba, Bb, Bs) ; la fixation (304) des premier et deuxième groupes de bobines couplées sur la carte de circuit imprimé (108) ; et la connexion (306) des bobines et des connecteurs électriques (Ba, Bb, Bs) aux pistes de la carte de circuit imprimé (108).