Brevet FR3129244A1 — publié le 20230519

Ce transformateur planaire (1) comprenant un entrelacement de couches primaires (11) et de couches secondaires (12) qui comportent des spires conductrices et qui sont séparées et recouvertes par un matériau diélectrique, les couches primaires (11) comportant uniquement des spires conductrices successives montées en série, et les couches secondaires comportant uniquement des spires conductrices montées en parallèle les unes par rapport aux autres. Figure pour l’abrégé : [Fig 1] TRANSFORMATEUR PLANAIRE ET CONVERTISSEUR ELECTRIQUE BIDIRECTIONNEL DC-DC COMPORTANT UN TEL TRANSFORMATEUR PLANAIRE La présente invention concerne les transformateurs planaires utilisant des empilements entrelacés de couches primaires et secondaires séparées par un diélectrique pour interfacer un réseau primaire et un réseau secondaire en courant direct. La présente invention vise à constituer un transformateur planaire qui présente un rapport de transformation supérieur à cinq entre le primaire et le secondaire tout en minimisant l’effet de peau produit par les fréquences de découpages élevées présentes dans certains systèmes embarqués d’aéronef. Techniques antérieures Il est connu d'utiliser des transformateur planaires dans les convertisseurs de puissance, lorsqu'une isolation galvanique est nécessaire. C'est notamment le cas lorsque le convertisseur est utilisé pour connecter une alimentation par batteries à un réseau électrique basse tension et fort courant, par exemple le réseau dit « transmission différentielle basse-tension » à vingt-huit volts d’un aéronef. Or, la tendance actuelle est d'utiliser des composants au carbure de silicium ou nitrure de gallium, dits « Grand Gap » dans les convertisseurs de puissance embarqués dans les systèmes aéronefs, permettant des fréquences de découpages élevées, à moindre perte, ce qui permet un gain significatif en termes de masse et volume de ces convertisseurs embarqués. Mais cela a pour inconvénient d'augmenter fortement l’influence de l’effet de peau et des effets de proximité dans les transformateurs planaires. La disposition géométrique des couches primaires et secondaires du transformateur a alors un impact majeur sur le niveau de puissance dissipé par effet Joule, qu’il faut absolument maitriser pour minimiser la masse des éléments magnétiques. Cependant, il est difficile de prévoir la répartition du courant dans les enroulements connectés en parallèle, et un fort effet de peau et des effets de proximité générant des échauffements ont tendance à apparaitre. Face à la complexité de la modélisation des effets magnétiques dans les enroulements, il est connu d’autre part de pallier le problème d’échauffement par l’adjonction directe de moyens de refroidissement au transformateur planaire, comme ceux décrits dans la demande de brevet EP3300090A1. Cette solution est néanmoins encombrante, énergivore et sous-optimale, dès lors qu’elle ne solutionne pas les causes d’apparition des effets magnétiques indésirables. Les modèles mathématiques publiés de transformateurs électriques, tel que ceux de Dowel (1966), Weichen (2003), Chen (2015) ou Djuric (2012) ne permettent qu’une modélisation de pertes a posteriori sur un cas défini, et ne permettent pas de déterminer à l’avance une architecture optimale à mettre en œuvre pour atteindre des performances cibles, en particulier dans un transformateur planaire. L’invention a pour but de pallier au moins certains des inconvénients précités et de proposer un transformateur planaire capable de cumuler des avantages de compacité, de fiabilité et d’efficacité pour sa mise en œuvre. Au vu de ce qui précède, l’invention a pour objet un transformateur planaire comportant un entrelacement de couches primaires et de couches secondaires qui comportent des spires conductrices et qui sont séparées par un matériau diélectrique, les couches primaires comportant uniquement des spires conductrices successives connectées en série et les couches secondaires comportant uniquement des spires conductrices connectées en parallèle les unes par rapport aux autres. De préférence, l’entrelacement comporte cinq couches primaires et cinq couches secondaires superposées alternativement avec les couches primaires. Par exemple, chaque couche primaire comporte deux spires conductrices en série, l’ensemble des couches primaires totalisant dix spires. Avantageusement, chaque couche secondaire comporte une unique spire conductrice. Selon une forme de réalisation, chaque couche secondaire est alternée avec une unique couche primaire. Dans un mode de réalisation, deux couches secondaires successives sont alternées avec deux couches primaires. Avantageusement, les spires conductrices comportent une épaisseur de cuivre comprise entre soixante-dix et trois-cents micromètres, préférentiellement de l’ordre de cent-soixante-quinze micromètres. Le transformateur planaire peut prévoir en outre que deux spires de deux couches primaires sont séparées d’une distance comprise entre deux-cents micromètres et cinq millimètres. De préférence, au moins l’une des couches primaires et secondaires comporte une feuille de cuivre. L'invention concerne également un convertisseur électrique bidirectionnel DC-DC comportant un transformateur planaire. L'invention concerne aussi un aéronef comportant un tel convertisseur électrique ou un transformateur planaire tel que décrit ci-dessus. L'invention sera mieux comprise à l'étude détaillée de deux modes de réalisation pris à titre d'exemples non limitatifs et illustrés par les dessins annexés, sur lesquels : représente le transformateur planaire selon un premier mode de réalisation. représente une couche primaire du transformateur planaire. représente une couche secondaire du transformateur planaire. représente le transformateur planaire selon un second mode de réalisation. représente le transformateur planaire intégré dans un circuit électrique de type « dual active bridge ». Transformateur planaire (1) comportant un entrelacement de couches primaires (11) et de couches secondaires (12) qui comportent des spires conductrices (13,15,17) et qui sont séparées par un matériau diélectrique (7), caractérisé en ce que les couches primaires (11) comportent uniquement des spires conductrices (13,15) successives connectées en série, et en ce que les couches secondaires (12) comportent uniquement des spires conductrices (17) connectées en parallèle les unes par rapport aux autres. Transformateur planaire (1) selon la revendication 1, dans lequel l’entrelacement comporte cinq couches primaires (11) et cinq couches secondaires (12) superposées alternativement avec les couches primaires (11). Transformateur planaire (1) selon l’une des revendications 1 et 2, dans lequel chaque couche primaire (11) comporte deux spires conductrices (13,15) en série. Transformateur planaire (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel chaque couche secondaire (12) comporte une unique spire conductrice (17). Transformateur planaire (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel chaque couche secondaire (12) est alternée avec une unique couche primaire (11). Transformateur planaire (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel deux couches secondaires successives (12) sont alternées avec deux couches primaires (11). Transformateur planaire (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel les spires conductrices (13,15,17) comportent une épaisseur de cuivre comprise entre soixante-dix et trois-cents micromètres, préférentiellement de l’ordre de cent-soixante-quinze micromètres. Transformateur planaire (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel deux spires (13,15) de deux couches primaires (11) sont séparées d’une distance comprise entre deux-cents micromètres et cinq millimètres. Transformateur planaire (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel au moins l’une des couches primaires (11) et secondaires (12) comporte une feuille de cuivre. Convertisseur électrique bidirectionnel DC-DC (29) comportant un transformateur planaire (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes. Aéronef comportant au moins l'un parmi un transformateur planaire selon l’une quelconque des revendications 1 à 9 ou un convertisseur selon la revendication 10.