EP3300090A1 - Couche de transformateur planaire, ensemble de couches pour transformateur planaire, et transformateur planaire - Google Patents

Couche de transformateur planaire, ensemble de couches pour transformateur planaire, et transformateur planaire Download PDF

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Definitions

  • the invention provides a planar transformer layer, a planar transformer layer assembly, and a planar transformer.
  • planar transformers whose power is limited to 2500W in 300V, or 1400W in 2kV.
  • the limitation of the power processed by a transformer involves using two to three converters each using a transformer to achieve a total power of 5 kW.
  • a transformer capable of transferring 5 kW saves one to two converters.
  • the figure 1 illustrates a planar transformer according to the state of the art. On the right side of the figure 1 the materials are represented, and on the left side are represented the thermal flows.
  • Cooling such a transformer through the magnetic core means that the heat dissipated in the conductors must pass through the dielectric layers that isolate the electrical conductors from one another and isolate the conductors from the magnetic core.
  • the thermal resistance between the hot spot of the conductors and the magnetic core is high (the thermal resistances of each dielectric layer are connected in series from the hot point to the magnetic core).
  • the magnetic core is also a source of heat dissipation, it does not represent a good cold source.
  • An object of the invention is to provide a transformer for transmitting an electrical power of at least 5 kW with a galvanic isolation under an output voltage of 300 V to 2 kV to supply an ion thruster for satellite or space probe.
  • a planar transformer layer comprising electrical connections and separate thermal connections.
  • a thermal connection includes a hole.
  • Such a hole allows an element such as a screw to hold together a plurality of layers together.
  • such a hole comprises an outgrowth towards the inside of the layer.
  • a thermal connection may be comb-shaped.
  • a set of planar transformer layers comprising at least one planar transformer primary layer as previously described, and two planar transformer secondary layers without separate electrical and thermal connections. , the three layers being separated and covered by a dielectric material, with the exception of the thermal connection (s) of the planar transformer layer as previously described.
  • Such a set of layers provides a minimal thermal path between the secondary layers and the primary layer, the assembly being thermally drained by the access of the primary layer to the heat sink.
  • This set is particularly interesting when the electrical insulation between secondary layers and heat sink is difficult to guarantee.
  • planar transformer comprising at least one assembly as previously described.
  • a transformer includes a plurality of sets stacked on each other, wherein the thermal connections of the primary layers are connected to a heat sink.
  • each set is individually drained.
  • All of the transformer layers are cooled by so many connections to the heat sink in parallel, which improves drainage over a serial connection.
  • the heat sink comprises a cold source and a dielectric portion.
  • the dielectric portion provides electrical insulation between the heat sink and the layers.
  • the choice of the dielectric is widened allowing the optimization of the thermal conductivity, and the dielectric thickness separating layer and heat sink can be minimized to maximize the thermal conductivity between layer and drain.
  • the cold source is disposed on the outer portion of the heat sink, surrounding the dielectric portion.
  • the planar transformer further comprises a magnetic core and an associated fastener.
  • the figure 2 represents a planar transformer according to one aspect of the invention, wherein an elementary coil 6 comprises one or more layers of copper 7, at least one of which 7a performs the thermal function. These copper layers 7 are electrically isolated for example by a dielectric insulator 8.
  • an elementary coil or elementary assembly 6 comprises, for example, a layer 7a performing the thermal function, and two other conventional 7b, not realizing it.
  • the left part of the figure 2 represents, by arrows, the diffusion of the thermal energy in the planar transformer by the layers 7a, a part of which is surrounded by a dielectric 9 near a cold source 10.
  • the thermal performance of the cold source 10 plays an important role in obtaining the final performance of the transformer.
  • the reduction of the thermal resistance of the electrical conductors of the transformer makes it possible to significantly increase (more than double) the power transferred, despite an output voltage multiplied by five, without increasing the volume occupied by the transformer.
  • planar transformer layer 7a comprising electrical connections 12 and separate thermal connections 13.
  • the thermal connections 13, in this case four in number per layer 7a, comprise a hole 14, for holding together a plurality of layers 7a.
  • the holes 14 of the thermal connections 13 may include an outgrowth 14a towards the interior of the layer 7a.
  • These protuberances 14a make it possible locally to maximize the heat flow towards the cold source, taking into account the constraint of a mechanical fastening of the transformer by means of screws.
  • the thermal connections can be comb-shaped, without holes, allowing to accommodate another means of attachment of the transformer.
  • the technology for producing the winding is based on flexible circuits consisting of an electrical circuit on a layer encapsulated between two layers of flexible insulation.
  • the windings made are then stacked.
  • the figure 6 represents a stack of a plurality of sets of layers according to the figure 5 , which constitutes the set of coils of the transformer according to one aspect of the invention.
  • the transformer assembly is performed as follows.
  • the four thermal drainage locations are closed by means of aluminum formwork pieces 16 and a comb of dielectric material
  • These parts 16 and 17 play a role of sealing and reproducibility of the stack.
  • the four legs 16, 17 of a dielectric resin 18 having a good thermal conductivity takes into account the voltages involved between the elementary coils 6 in order to guarantee electrical insulation.
  • ferrites 19 are placed around the coil constituted by the stack of elementary coils 6.
  • the present transformer proposes to completely decouple the heat flux from losses by copper 6 and losses by irons 19. Therefore the ferrites 19 are mechanically held by a piece 20 for example aluminum also playing the role of thermal drainage towards the flat base.
  • the figure 10 shows the cutting plane of the figure 8 to get the sectional view of the figure 11 .

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  • Power Engineering (AREA)
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Abstract

Couche (7a) de transformateur planaire comprenant des connections électriques (12) et des connexions thermiques (13) distinctes.

Description

  • L'invention porte sur une couche de transformateur planaire, un ensemble de couches pour transformateur planaire, et un transformateur planaire.
  • Il est connu des transformateurs planaires dont la puissance est limitée à 2500W en 300V, ou à 1400W à 2kV.
  • La limitation de la puissance traitée par un transformateur implique d'utiliser deux à trois convertisseurs utilisant chacun un transformateur afin d'atteindre une puissance totale de 5 kW. Un transformateur capable de transférer 5 kW permet d'économiser un à deux convertisseurs.
  • Les solutions existantes sont limitées en puissance par :
    • les effets de proximité dans le transformateur limitent soit la fréquence d'utilisation soit la section de cuivre accessible;
    • la résistance thermique du transformateur limite la puissance qui peut être dissipée dans le transformateur;
    • la haute tension de sortie implique une isolation électrique importante qui s'accompagne d'une augmentation de résistance thermique; et
    • l'entrelacement des bobinages secondaires et primaire permet d'augmenter la fréquence sans diminuer la section de cuivre mais implique aussi une augmentation des couches d'isolation électrique qui implique une augmentation de la résistance thermique.
  • La figure 1 illustre un transformateur planaire selon l'état de l'art. Sur la partie droite de la figure 1 sont représentés les matériaux, et sur la partie gauche sont représentés les flux thermiques.
  • Des bobines élémentaires 1 empilées, en l'espèce au nombre de trois, sont constituées de ou plusieurs couches de cuivre 2, en l'espèce au nombre de deux. Ces couches de cuivre ou conducteurs électriques 2 sont électriquement isolés les uns des autres par un isolant ou diélectrique 3. Une couche isolante couche diélectrique est disposée entre chacune des bobines élémentaires 1, ainsi qu'entre la bobine élémentaire 1 à la base de l'empilement et une source froide sur laquelle est disposé l'empilement de bobines élémentaires.
  • Refroidir un tel transformateur au travers du noyau magnétique implique que la chaleur dissipée dans les conducteurs doit traverser les couches diélectriques qui isolent les conducteurs électriques entre eux et qui isolent les conducteurs du noyau magnétique. Les matériaux diélectriques étant généralement de mauvais conducteurs thermiques, la résistance thermique entre le point chaud des conducteurs et le noyau magnétique est élevée (les résistances thermiques de chaque couche diélectrique sont connectées en série du point chaud au noyau magnétique). En outre, le noyau magnétique étant également une source de dissipation thermique, il ne représente pas une bonne source froide.
  • L'utilisation des connexions électriques comme source froide permet de refroidir les conducteurs électriques sans passer par la série des couches diélectriques. Lorsque le transformateur est connecté à une barre omnibus ou "busbar" en langue anglaise, la chaleur peut être retirée par convection. Quand la convection n'est pas possible, le busbar est lui-même électriquement isolé et ne représente donc pas une bonne source froide.
  • Une augmentation de tension de sortie d'un tel transformateur impliquerait une augmentation d'épaisseur d'isolant et par conséquent une augmentation de la résistance thermique. L'augmentation de résistance thermique impliquerait une réduction de la puissance transférable au travers du transformateur. Pour maintenir la puissance transférée il faudrait augmenter le volume et la masse du transformateur ce qui poserait des problèmes de tenue à l'environnement thermomécanique déjà limite au niveau de la masse et du volume des conceptions actuelles. Le doublement de la puissance transférée est donc inconcevable avec les modes de réalisation connus.
  • En outre un tel transformateur doit fonctionner dans le vide ce qui interdit le refroidissement par convection.
  • Un but de l'invention est de réaliser un transformateur pour transmettre une puissance électrique d'au moins 5 kW avec une isolation galvanique sous une tension de sortie de 300 V à 2 kV afin d'alimenter un propulseur ionique pour satellite ou sonde spatiale.
  • Il est proposé, selon un aspect de l'invention, une couche de transformateur planaire comprenant des connections électriques et des connexions thermiques distinctes.
  • Ainsi, il est possible de nettement améliorer l'évacuation d'énergie thermique, et de réaliser un transformateur planaire capable de transmettre une puissance électrique d'au moins 5 kW avec une isolation galvanique sous une tension de sortie de 300 V à 2 kV afin d'alimenter un propulseur ionique pour satellite ou sonde spatiale.
  • Dans un mode de réalisation, une connexion thermique comprend un trou.
  • Un tel trou permet à un élément tel une vis de maintenir ensemble une pluralité de couches ensemble.
  • Selon un mode de réalisation, un tel trou comprend une excroissance en direction de l'intérieur de la couche.
  • Une telle excroissance en direction de l'intérieur de la couche permet de maximiser la surface d'échange entre la couche et le drain thermique.
  • En variante, une connexion thermique peut être en forme de peigne.
  • Ainsi, la surface d'échange entre la couche et le drain thermique est augmentée.
  • Selon un autre aspect de l'invention, il est également proposé un ensemble de couches pour transformateur planaire, comprenant au moins un une couche primaire de transformateur planaire telle que précédemment décrite, et deux couches secondaires de transformateur planaire dépourvues de connections électriques et thermiques distinctes, les trois couches étant séparées et recouvertes par un matériau diélectrique, à l'exception de la ou les connexions thermiques de la couche de transformateur planaire telle que précédemment décrite.
  • Un tel ensemble de couches offre un chemin thermique minimal entre les couches secondaires et la couche primaire, l'ensemble étant thermiquement drainé par l'accès de la couche primaire au drain thermique. Cet ensemble est particulièrement intéressant lorsque l'isolation électrique entre couches secondaires et drain thermique est difficile à garantir.
  • Selon un autre aspect de l'invention, il est également proposé un transformateur planaire comprenant au moins un ensemble tel que précédemment décrit.
  • Dans un mode de réalisation, un transformateur comprend une pluralité d'ensembles empilés les uns sur les autres, dans lequel les connexions thermiques des couches primaires sont connectées à un drain thermique.
  • Ainsi, chaque ensemble est individuellement drainé. L'ensemble des couches du transformateur est refroidi par autant de connexions au drain thermique en parallèle, ce qui améliore le drainage par rapport à une connexion en série.
  • Selon un mode de réalisation, le drain thermique comprend une source froide et une partie diélectrique.
  • Ainsi, la partie diélectrique assure l'isolation électrique entre le drain thermique et les couches. En plaçant dans le drain thermique les couches nécessitant les plus faibles tenues diélectriques par rapport au drain thermique, le choix du diélectrique s'en trouve élargi autorisant l'optimisation de la conductivité thermique, et l'épaisseur de diélectrique séparant couche et drain thermique peut être minimisée pour maximiser la conductivité thermique entre couche et drain.
  • Dans un mode de réalisation, la source froide est disposée sur la partie extérieure du drain thermique, entourant la partie diélectrique.
  • Selon un mode de réalisation, le transformateur planaire comprend en outre un noyau magnétique et un élément de fixation associé.
  • Il est également proposé, selon un autre aspect de l'invention, un équipement électronique de conversion d'énergie pour satellite muni d'au moins un transformateur planaire tel que précédemment décrit.
  • L'invention sera mieux comprise à l'étude de quelques modes de réalisation décrits à titre d'exemples nullement limitatifs et illustrés par les dessins annexés sur lesquels :
    • la figure 1 illustre schématiquement un transformateur planaire selon l'état de l'art;
    • la figure 2 illustre schématiquement un transformateur planaire selon un aspect de l'invention;
    • les figures 3 et 4 illustrent schématiquement une couche de transformateur planaire selon deux aspects de l'invention;
    • les figures 5 à 11 illustrent schématiquement un mode de réalisation d'un transformateur selon un aspect de l'invention.
  • Sur les différentes figures, les éléments ayant des références identiques sont identiques.
  • La figure 2 représente un transformateur planaire selon un aspect de l'invention, dans lequel une bobine élémentaire 6 comprend une ou plusieurs couches de cuivre 7 dont au moins une 7a réalise la fonction thermique. Ces couches de cuivre 7 sont électriquement isolées par exemple par un isolant diélectrique 8. En l'espèce, une bobine élémentaire ou ensemble élémentaire 6 comprend, par exemple, une couche 7a réalisant la fonction thermique, et deux autres 7b, classiques, ne la réalisant pas.
  • La partie gauche de la figure 2 représente, par des flèches la diffusion de l'énergie thermique dans le transformateur planaire par les couches 7a, dont une partie est entourée d'un diélectrique 9 à proximité d'une source froide 10. Ainsi est créé un chemin thermique continu ou drain thermique entre les bobines 6 et la source froide 10. La performance thermique de la source froide 10 joue un rôle important dans l'obtention de la performance finale du transformateur.
  • La réduction de résistance thermique des conducteurs électriques du transformateur permet de nettement augmenter (plus de doubler) la puissance transférée, malgré une tension électrique de sortie multipliée par cinq, sans augmenter le volume occupé par le transformateur.
  • Sur la figure 3 est représentée une couche 7a de transformateur planaire comprenant des connections électriques 12 et des connexions thermiques 13 distinctes.
  • Les connexions thermiques 13, en l'espèce au nombre de quatre par couche 7a, comprennent un trou 14, permettant de maintenir ensemble fixement une pluralité de couches 7a.
  • Par exemple, les trous 14 des connexions thermiques 13 peuvent comprendre une excroissance 14a en direction de l'intérieur de la couche 7a. Ces excroissances 14a permettent de maximiser localement le flux thermique vers la source froide et ce compte tenu de la contrainte d'une fixation mécanique du transformateur au moyen de vis.
  • En variante, comme illustré sur la figure 4, les connexions thermiques peuvent être en forme de peigne, du coup sans trou, ce qui permet de s'accommoder d'un autre moyen de fixation du transformateur.
  • Tout autre type de connexion thermique distincte est bien entendu envisageable, quelle que soit sa forme permettant au moyen d'un autre élément de lier fixement un empilement de couches ou d'ensembles de couches.
  • Dans la suite de la description, de manière non limitative, seules des liaisons thermiques 13 avec des trous 14 seront décrites.
  • La suite de la description illustre un exemple de réalisation de l'invention.
  • La technologie de réalisation du bobinage est basée sur des circuits flexibles constitués d'un circuit électrique sur une couche encapsulé entre deux couches d'isolant souple.
  • Les bobinages réalisés sont ensuite empilés.
  • Comme illustré sur la figure 5, afin de réaliser facilement l'assemblage d'un transformateur, il est possible de réaliser un ensemble comprenant par exemple une couche 7a de transformateur planaire comprenant des connections électriques 12 et des connexions thermiques 13 distinctes et deux couches 7b classiques de transformateur planaire, directement chez le fabricant du circuit afin d'obtenir une bobine élémentaire ou ensemble de couches.
  • La figure 6 représente un empilage d'une pluralité d'ensembles de couches selon la figure 5, qui constitue l'ensemble des bobines du transformateur selon un aspect de l'invention.
  • Afin de drainer le flux thermique sortant des spires primaires ou en d'autres termes des spires ou couches 7a, il est nécessaire de créer un chemin continu vers la base plate du transformateur.
  • L'assemblage du transformateur est réalisé comme suit.
  • Comme illustré sur la figure 7, après avoir empilé des ensembles de couches ou bobines élémentaires 6 sur un outillage, on referme les quatre emplacements de drainage thermique, ici disposés à proximité des coins, au moyen de pièces de coffrage en aluminium 16 ainsi que d'un peigne en matériau diélectrique 17 Ces pièces, 16 et 17 jouent un rôle d'étanchéité et de reproductibilité de l'empilage. Une fois cette opération terminée, on glisse les "pieds" du transformateur qui viennent étendre l'échange vers la plaque froide ou source froide 10. En effet, dans l'assemblage proposé, il y a une coupure dans la liaison entre le transformateur et la source froide. D'une manière plus générale cette fonction pourrait directement faire partie de la source froide ce qui aurait pour effet encore d'améliorer les performances thermiques.
  • Ensuite, comme illustré sur la figure 8, les quatre pieds 16, 17 d'une résine diélectrique 18 ayant une bonne conductibilité thermique. La conception prend en compte les tensions mises en jeu entre les bobines élémentaires 6 afin de garantir l'isolation électrique.
  • Enfin, des ferrites 19 (noyau magnétique) sont placées autour de la bobine constituée de l'empilement des bobines élémentaires 6. Le présent transformateur propose de découpler complètement le flux thermique des pertes par le cuivre 6 et des pertes par les fers 19. Par conséquent les ferrites 19 sont maintenues mécaniquement par une pièce 20 par exemple en aluminium jouant aussi le rôle de drainage thermique vers la base plate.
  • La figure 10, montre le plan de coupe de la figure 8 pour obtenir la vue en coupe de la figure 11.

Claims (11)

  1. Couche (7a) de transformateur planaire comprenant des connections électriques (12) et des connexions thermiques (13) distinctes.
  2. Couche (7a) de transformateur planaire selon la revendication 1, dans lequel une connexion thermique (13) comprend un trou (14).
  3. Couche (7a) de transformateur planaire selon la revendication 2, dans lequel le trou (14) comprend une excroissance (14a) en direction de l'intérieur de la couche (6).
  4. Couche (7a) de transformateur planaire selon la revendication 1, dans lequel une connexion thermique (13) est en forme de peigne.
  5. Ensemble (6) de couches (7) pour transformateur planaire, comprenant au moins une couche primaire (7a) de transformateur planaire selon l'une des revendications 1 à 4, et deux couches secondaires (7b) de transformateur planaire dépourvues de connections électriques (12) et thermiques (13) distinctes, les trois couches (7a, 7b) étant séparées et recouvertes par un matériau diélectrique (8), à l'exception de la ou les connexions thermiques de la couche de transformateur planaire selon l'une des revendications 1 à 4.
  6. Transformateur planaire comprenant au moins un ensemble (6) selon la revendication 5.
  7. Transformateur planaire selon la revendication 6, comprenant une pluralité d'ensembles (6) empilés les uns sur les autres, dans lequel les connexions thermiques (13) des couches primaires (7a) sont connectées à un drain thermique.
  8. Transformateur planaire selon la revendication 7, dans lequel le drain thermique comprend une source froide (10) et une partie diélectrique (9).
  9. Transformateur planaire selon la revendication 8, dans lequel la source froide (10) est disposée sur la partie extérieure du drain thermique, entourant la partie diélectrique (9).
  10. Transformateur planaire selon l'une des revendications 7 à 9, comprenant en outre un noyau magnétique (19) et un élément de fixation (20) associé.
  11. Equipement électronique de conversion d'énergie pour satellite muni d'au moins un transformateur planaire selon l'une des revendications précédentes.
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