EP0727794A1 - Transformateur, notamment pour convertisseur d'énergie, et convertisseur d'énergie à résonance doté d'une tel transformateur - Google Patents

Transformateur, notamment pour convertisseur d'énergie, et convertisseur d'énergie à résonance doté d'une tel transformateur Download PDF

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EP0727794A1
EP0727794A1 EP96200430A EP96200430A EP0727794A1 EP 0727794 A1 EP0727794 A1 EP 0727794A1 EP 96200430 A EP96200430 A EP 96200430A EP 96200430 A EP96200430 A EP 96200430A EP 0727794 A1 EP0727794 A1 EP 0727794A1
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magnetic
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    • H01F2027/348—Preventing eddy currents

Definitions

  • the invention relates to a transformer, in particular for an energy converter, comprising a primary winding and a secondary winding established on a magnetic circuit capable of channeling the flux from the primary winding to the secondary winding. It extends to a resonant energy converter provided with such a transformer.
  • the most common solution consists in making a casing around the magnetic circuit forming a closed external fiber which prevents the magnetic flux from leaking from radiating outside the transformer.
  • the advantage of such a solution is to limit the magnetic leakage flux by eliminating part of the latter.
  • it does not solve the problems linked to the existence of this magnetic leakage flux because it only makes it possible to minimize it but not to control it.
  • the present invention aims to overcome the drawbacks of transformers due to the existence of a magnetic leakage flux, and proposes to provide a transformer designed to allow the elimination of nuisance linked to this magnetic leakage flux.
  • Another object of the invention is to provide a resonant energy converter of simplified design compared to current resonant energy converters.
  • the invention relates, firstly, to a transformer whose magnetic circuit comprises at least three branches, called lateral and central (s), connected to each other, towards each of their ends, by two crosspieces.
  • Such a transformer therefore has the peculiarity of integrating, by its design, a leakage inductor whose flux is channeled in the material of the magnetic circuit, and whose characteristics can be adjusted according to the thickness and the section of the air gap.
  • the presence of the closed coil makes it possible to avoid radiation towards the outside of the leakage magnetic flux and therefore leads to a very precise determination of the characteristics of the inductor, even in the range of high frequencies in conversion d energy, i.e. frequencies above 10 kHz.
  • Such an invention thus makes it possible to eliminate the nuisances linked to the existence of the magnetic leakage flux, by using the latter so as to produce a controlled inductor, and leads to providing a component integrating the inductor and transformer functions which required, so far two separate components.
  • this design provides galvanic isolation and excellent dielectric strength performance.
  • patent DE 36 09617 describes a device in which two air gaps interrupt the magnetic circuit comprising the coils, and the common flux branch of which has no air gap. This device therefore constitutes a coupled circuit which cannot act as a transformer, and its teaching can in no way suggest the subject of the invention.
  • Patent DE 11 22627 describes, for its part, a magnetic amplifier whose primary and secondary windings are arranged on the same branch of the magnetic circuit, and comprising an air gap on another branch capable of generating a coupling on a third winding.
  • the primary and secondary windings are crossed by the same magnetic flux, and the air gap cannot therefore constitute a controlled inductor such as that of the invention, materialized by the difference in flux between primary and secondary.
  • One of the applications of the invention thus relates to the production of energy converters consisting of a transformer connected in series with a choke, and this invention extends to resonant energy converters incorporating a transformer as described above and at least one capacitor connected in series and / or in parallel with the transformer, the air gap of said transformer being adjusted so that the resulting choke is a resonance choke capable of obtaining a high frequency in energy conversion, that is to say a frequency greater than 10 kHz between the primary and secondary circuits.
  • Such a resonant energy converter has the advantage of being made up of a small number of components compared to current resonant energy converters, and has a lower cost price and a simplified design compared to the latter .
  • transformers shown schematically in Figures 2 to 4 have the distinction of integrating the functions of inductor and transformer which hitherto required two separate components.
  • Such transformers are particularly intended for the production of resonant energy converters, as shown diagrammatically in FIG. 1, comprising, in addition to said transformers, an electronic switch assembly I mounted on at least one capacitor C, and a rectifier stage plus loads R.
  • the air gap and the capacitance are adjusted so as to obtain a resonant frequency, that is to say a frequency greater than 10 kHz.
  • each of these transformers has a magnetic circuit 1 consisting of two identical elements 2, 3 adapted to be arranged in an inverted position relative to each other, said elements having the general shape transversely d 'an E of which one of the branches has a length shorter than that of the other branches.
  • the magnetic circuit 1 thus formed therefore comprises three parallel branches, a central branch 4 and two lateral branches 5, 6, connected to each other, towards each of their ends, by two sleepers 7, 8.
  • one of the branches of this magnetic circuit 1 comprises an air gap 9 forming a controlled leakage inductor, the characteristics of which can be adjusted as a function of the thickness and of the section of said air gap.
  • the elements 2, 3 of the magnetic circuit 1 can be designed so that the air gap 9 is formed, either in line with the central branch 4 ( Figure 2), or at right of one of the lateral branches, in Example 6 ( Figure 3).
  • the transformer also includes a primary winding 10 and a secondary winding 11 disposed respectively around the branches without air gap 9 and therefore mounted on a closed magnetic circuit with low magnetic reluctance compared to an open circuit comprising an air gap.
  • these primary 10 and secondary 11 windings are arranged respectively around the lateral branches 5, 6.
  • these primary windings 10 and secondary 11 are arranged respectively around the central branch 4 and one of the lateral branches 5.
  • the transformer finally comprises, a closed external turn 12 arranged around the magnetic circuit 1 and intended to avoid the radiation of the magnetic flux leaking outwards.
  • this external fiber can be constituted by a housing 12 made of a metallic material enclosing the magnetic circuit 1.

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Abstract

L'invention concerne un transformateur, notamment pour convertisseur d'énergie, comportant un bobinage primaire (10) et un bobinage secondaire (11) établis sur un circuit magnétique (1) apte à canaliser le flux de l'enroulement primaire (10) vers l'enroulement secondaire (11), et comportant au moins trois branches (4-6), dites latérales et centrale, reliées les unes aux autres, vers chacune de leurs extrémités, par deux traverses (7, 8). Selon l'invention, les bobinages primaire (10) et secondaire (11) sont disposés autour de deux branches distinctes (5, 6) formant avec les traverses (7, 8) un circuit fermé, et l'autre branche (4) comporte un entrefer (9) d'épaisseur prédéterminée ajustable apte à canaliser le flux de fuite magnétique du transformateur. De plus, une spire extérieure fermée (12) est disposée autour du circuit magnétique. <IMAGE>

Description

  • L'invention vise un transformateur, notamment pour convertisseur d'énergie, comportant un bobinage primaire et un bobinage secondaire établis sur un circuit magnétique apte à canaliser le flux de l'enroulement primaire vers l'enroulement secondaire. Elle s'étend à un convertisseur d'énergie à résonance doté d'un tel transformateur.
  • Un des inconvénients majeurs que présentent actuellement les transformateurs existants réside dans le fait que ces derniers présentent un flux magnétique de fuite pénalisant à double titre de tels transformateurs. En effet, et en premier lieu, ce flux magnétique génère des courants de Foucault qui engendrent des pertes au contact des conducteurs électriques. De plus, ce flux magnétique de fuite rayonnant dans l'air environnant, son comportement est fonction des caractéristiques électro-magnétiques de cet environnement. De ce fait, ce flux magnétique de fuite s'avère, dans la pratique, incontrôlable.
  • La seule solution actuelle proposée pour pallier ces inconvénients consiste à tenter de minimiser ce flux magnétique de fuite. A cet effet, la solution la plus courante consiste à réaliser autour du circuit magnétique un capotage formant une fibre extérieure fermée qui empêche le flux magnétique de fuite de rayonner à l'extérieur du transformateur. Une telle solution a pour avantage de limiter le flux magnétique de fuite en supprimant une partie de ce dernier. Toutefois, elle ne résout pas les problèmes liés à l'existence de ce flux magnétique de fuite car elle permet seulement de le minimiser mais non de le contrôler.
  • La présente invention vise à pallier les inconvénients des transformateurs dus à l'existence d'un flux magnétique de fuite, et se propose de fournir un transformateur conçu pour permettre de supprimer les nuisances liées à ce flux magnétique de fuite.
  • Un autre objectif de l'invention est de fournir un convertisseur d'énergie à résonance de conception simplifiée par rapport aux convertisseurs d'énergie à résonance actuels.
  • A cet effet, l'invention vise, en premier lieu, un transformateur dont le circuit magnétique comporte au moins trois branches, dites latérales et centrale(s), reliées les unes aux autres, vers chacune de leurs extrémités, par deux traverses.
  • Selon l'invention, ce transformateur se caractérise en ce que :
    • les bobinages primaire et secondaire sont disposés respectivement autour de deux branches distinctes reliées par les traverses de façon à former avec ces dernières un circuit fermé à faible réluctance magnétique par rapport à un circuit ouvert, c'est-à-dire un circuit comprenant un entrefer,
    • la troisième branche comporte un entrefer d'épaisseur prédéterminée ajustable entre une valeur minimale donnée et une valeur maximale sensiblement égale à la longueur de ladite branche, apte à canaliser le flux magnétique de fuite du transformateur correspondant à la différence de potentiel magnétique entre les traverses,
    • une spire extérieure fermée est disposée autour du circuit magnétique.
  • L'invention a donc consisté à réaliser un transformateur :
    • dont les bobinages primaire et secondaire sont disposés sur deux branches distinctes d'un circuit fermé et sont donc traversés par des flux de valeurs différentes,
    • comportant une branche à flux commun dotée d'un entrefer constituant une self contrôlée dont les caractéristiques sont déterminées par la différence de valeur entre les flux traversant les deux branches du circuit fermé.
  • Un tel transformateur a donc la particularité d'intégrer, de par sa conception, une self de fuite dont le flux est canalisé dans le matériau du circuit magnétique, et dont les caractéristiques peuvent être ajustées en fonction de l'épaisseur et de la section de l'entrefer.
  • De plus, la présence de la spire fermée permet d'éviter les rayonnements vers l'extérieur du flux magnétique de fuite et conduit donc à une détermination très précise des caractéristiques de la self, et ce même dans la gamme des hautes fréquences en conversion d'énergie, c'est-à-dire des fréquences supérieures à 10 kHz.
  • Une telle invention permet ainsi de supprimer les nuisances liées à l'existence du flux de fuite magnétique, en utilisant celui-ci de façon à réaliser une self contrôlée, et conduit à fournir un composant intégrant les fonctions de self et de transformateur qui nécessitaient, jusqu'à présent, deux composants distincts.
  • Par ailleurs, une telle conception selon laquelle les bobinages primaire et secondaire sont dissociés, conduit à minimiser le couplage capacitif entre lesdits bobinages primaire et secondaire, et assure de ce fait une barrière vis à vis des parasites de mode commun qui confère au transformateur des performances excellentes en terme de compatibilité électro-magnétique (notamment sur les lignes de sortie).
  • En outre, cette conception permet d'assurer des isolements galvaniques et d'obtenir des performances de rigidité diélectrique excellentes.
  • Il est à noter qu'il était connu notamment des brevets DE 36 09617 et DE 11 22627 de réaliser des circuits magnétiques du type décrit dans le préambule de la revendication 1 et dont au moins une des branches comporte un entrefer. Toutefois, les objectifs visés dans ces brevets sont totalement différents de ceux visés par l'invention, et la conception des dispositifs décrits dans ces derniers ne suggère en rien de réaliser un transformateur conforme à l'invention.
  • En effet, le brevet DE 36 09617 décrit un dispositif dans lequel deux entrefers interrompent le circuit magnétique comportant les bobines, et dont la branche de flux commun est dépourvu d'entrefer. Ce dispositif constitue donc un circuit couplé ne pouvant faire office de transformateur, et son enseignement ne saurait en aucun cas suggérer l'objet de l'invention.
  • Le brevet DE 11 22627 décrit, quant à lui, un amplificateur magnétique dont les bobinages primaire et secondaire sont disposés sur une même branche du circuit magnétique, et comportant un entrefer sur une autre branche apte à générer un couplage sur un troisième bobinage. De par cette conception, les bobinages primaire et secondaire sont traversés par le même flux magnétique, et l'entrefer ne peut donc constituer une self contrôlée telle que celle de l'invention, matérialisée par la différence de flux entre primaire et secondaire.
  • Une des applications de l'invention vise ainsi la réalisation de convertisseurs d'énergie constitués d'un transformateur monté en série avec une self, et cette invention s étend à des convertisseurs d'énergie à resonance incorporant un transformateur tel que décrit ci-dessus et au moins une capacité montée en série et/ou en parallèle avec le transformateur, l'entrefer dudit tansformateur étant ajusté de façon que la self résultante soit une self de résonance apte à permettre d'obtenir une haute fréquence en conversion d'énergie, c'est-à-dire une fréquence supérieure à 10 kHz entre les circuits primaire et secondaire.
  • Un tel convertisseur d'énergie à résonance offre l'avantage d'être constitué d'un nombre de composants restreint par rapport aux convertisseurs d'énergie à résonance actuels, et présente un coût de revient inférieur et une conception simplifiée par rapport à ces derniers.
  • D'autres caractéristiques buts et avantages de l'invention ressortiront de la description détaillée qui suit en référence aux dessins annexés qui en représentent à titre d'exemples non limitatifs deux variantes de réalisation. Sur ces dessins qui font partie intégrante de la présente description :
    • la figure 1 est un schéma équivalent d'un convertisseur d'énergie conforme à l'invention,
    • la figure 2 est une vue schématique frontale d'une première variante de réalisation d'un transformateur conforme à l'invention,
    • la figure 3 est une vue schématique frontale d'une deuxième variante de réalisation de ce transformateur,
    • et la figure 4 est une vue en perspective schématique d'un transformateur conforme à celui représenté à la figure 3.
  • Les transformateurs représentés schématiquement aux figures 2 à 4 présentent la particularité d'intégrer les fonctions de self et de transformateur qui nécessitaient jusqu'à présent deux composants distincts. De tels transformateurs sont particulièrement destinés à la réalisation de convertisseurs d'énergie à resonance, tel que schématisés à la figure 1, comportant, outre lesdits transformateurs, un ensemble interrupteur électronique I monté sur au moins une capacité C, et un étage redresseur plus charges R.
  • Dans ce cas, l'entrefer et la capacité sont ajustés de façon à obtenir une fréquence de résonance, c'est-à-dire une fréquence supérieure à 10 kHz.
  • Tel que représenté à la figure 4, chacun de ces transformateurs comporte un circuit magnétique 1 constitué de deux éléments identiques 2, 3 adaptés pour être disposés en position inversée l'un par rapport à l'autre, lesdits éléments présentant transversalement la forme générale d'un E dont l'une des branches présente une longueur inférieure à celle des autres branches.
  • Le circuit magnétique 1 ainsi formé comporte donc trois branches parallèles, une branche centrale 4 et deux branches latérales 5, 6, reliées les unes aux autres, vers chacune de leurs extrémités, par deux traverses 7, 8.
  • De plus une des branches de ce circuit magnétique 1 comporte un entrefer 9 formant une self de fuite contrôlée dont les caractéristiques peuvent être ajustées en fonction de l'épaisseur et de la section dudit entrefer.
  • En outre, tel que représenté respectivement aux figures 2 et 3, les éléments 2, 3 du circuit magnétique 1 peuvent être conçus de façon que l'entrefer 9 soit ménagé, soit au droit de la branche centrale 4 (figure 2), soit au droit d'une des branches latérales, en l'exemple 6 (figure 3).
  • Le transformateur comporte également un bobinage primaire 10 et un bobinage secondaire 11 disposés respectivement autour des branches dépourvues d'entrefer 9 et donc montés sur un circuit magnétique fermé à faible réluctance magnétique par rapport à un circuit ouvert comprenant un entrefer. Ainsi, selon la variante de réalisation représentée à la figure 2, ces bobinages primaire 10 et secondaire 11 sont disposés respectivement autour des branches latérales 5, 6. Par contre, selon la variante de réalisation représentée aux figures 3 et 4, ces bobinages primaire 10 et secondaire 11 sont disposés respectivement autour de la branche centrale 4 et d'une des branches latérales 5.
  • Le transformateur comporte enfin, une spire extérieure fermée 12 disposée autour du circuit magnétique 1 et destinée à éviter le rayonnement du flux magnétique de fuite vers l'extérieur. Tel que schématisé à la figure 4, cette fibre extérieure peut être constituée par un boîtier 12 en un matériau métallique renfermant le circuit magnétique 1.

Claims (6)

  1. Transformateur, notamment pour convertisseur d'énergie, comportant un bobinage primaire (10) et un bobinage secondaire (11) établis sur un circuit magnétique (1) apte à canaliser le flux de l'enroulement primaire (10) vers l'enroulement secondaire (11), et comportant au moins trois branches (4-6), dites latérales et centrale(s), reliées les unes aux autres, vers chacune de leurs extrémités, par deux traverses (7, 8), ledit transformateur étant caractérisé en ce que :
    - les bobinages primaire (10) et secondaire (11) sont disposés respectivement autour de deux branches distinctes (5, 6 ; 4, 5) reliées par les traverses (7, 8) de façon à former avec ces dernières un circuit fermé à faible réluctance magnétique par rapport à un circuit ouvert, c'est-à-dire un circuit comprenant un entrefer,
    - au moins une des autres branches (4 ; 6) comporte un entrefer (9) d'épaisseur prédéterminée ajustable entre une valeur minimale donnée et une valeur maximale sensiblement égale à la longueur de ladite branche, apte à canaliser le flux magnétique de fuite du transformateur correspondant à la différence de potentiel magnétique entre les traverses (7, 8),
    - une spire extérieure fermée (12) est disposée autour du circuit magnétique.
  2. Transformateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la spire extérieure est constituée par un boîtier (12) en un matériau métallique renfermant le circuit magnétique (1).
  3. Transformateur selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comprend trois branches (4-6), la branche du circuit magnétique (1) présentant un entrefer (9) étant la branche centrale (4) dudit circuit magnétique.
  4. Transformateur selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comprend trois branches (4-6), la branche du circuit magnétique (1) présentant un entrefer (9) étant une des branches latérales (6) dudit circuit magnétique.
  5. Transformateur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le circuit magnétique (1) est constitué d'éléments identiques, (2, 3) adaptés pour être disposés en position inversée l'un par rapport à l'autre, lesdits éléments présentant transversalement la forme générale d'un E dont l'une des branches (4 ; 6) présente une longueur inférieure à celle des autres branches (5, 6 ; 4, 5).
  6. Convertisseur d'énergie à résonance caractérisé en ce qu'il comprend un transformateur conforme à l'une des revendications 1 à 5 et au moins une capacité montée en série et/ou en parallèle avec ledit transformateur, l'entrefer (9) dudit transformateur étant ajusté de façon que la self résultante soit une self de resonance apte à permettre d'obtenir une haute fréquence en conversion d'énergie, c'est-à-dire une fréquence supérieure à 10 kHz entre les circuits primaire (10) et secondaire (11).
EP19960200430 1995-02-20 1996-02-19 Transformateur, notamment pour convertisseur d'énergie, et convertisseur d'énergie à résonance doté d'une tel transformateur Expired - Lifetime EP0727794B1 (fr)

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FR2730849B1 (fr) 1997-05-09
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