EP4533500A1 - Ensemble et transformateur électrique planaire - Google Patents

Ensemble et transformateur électrique planaire

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EP4533500A1
EP4533500A1 EP23726388.4A EP23726388A EP4533500A1 EP 4533500 A1 EP4533500 A1 EP 4533500A1 EP 23726388 A EP23726388 A EP 23726388A EP 4533500 A1 EP4533500 A1 EP 4533500A1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
electrical
primary
substrate
conductive winding
prepreg
Prior art date
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Pending
Application number
EP23726388.4A
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German (de)
English (en)
Inventor
Rudy BATTISTELLA
Aurélien POUILLY
Baptiste PARIGOT
Massourang DIALLO
Wendell DA CUNHA ALVES
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Valeo Electrification SAS
Original Assignee
Valeo Electrification SAS
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Filing date
Publication date
Application filed by Valeo Electrification SAS filed Critical Valeo Electrification SAS
Publication of EP4533500A1 publication Critical patent/EP4533500A1/fr
Pending legal-status Critical Current

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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F27/00—Details of transformers or inductances, in general
    • H01F27/28—Coils; Windings; Conductive connections
    • H01F27/2804—Printed windings
    • H—ELECTRICITY
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    • H01F27/28—Coils; Windings; Conductive connections
    • H01F27/2847—Sheets; Strips
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    • H01F41/00—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties
    • H01F41/02—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties for manufacturing cores, coils, or magnets
    • H01F41/04—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties for manufacturing cores, coils, or magnets for manufacturing coils
    • H01F41/041—Printed circuit coils
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    • H01F2027/2809—Printed windings on stacked layers
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    • H01F27/28—Coils; Windings; Conductive connections
    • H01F27/2804—Printed windings
    • H01F2027/2819—Planar transformers with printed windings, e.g. surrounded by two cores and to be mounted on printed circuit

Definitions

  • the present invention relates to the field of electrical transformers. More precisely, the present invention aims at a planar electrical assembly to form a planar electrical transformer.
  • This electrical transformer belongs for example to an electrical circuit on board an electric or hybrid vehicle, this circuit being commonly called an “on-board network”.
  • This transformer allows for example the transition from a voltage of 12V or 48V to a voltage greater than 300V, for example 400V or 800V, and vice versa.
  • this transformer is associated with an inverter/rectifier for charging from an electrical network external to the vehicle an electrical energy storage unit of the vehicle, this electrical energy storage unit having for example a voltage of 48V or more, for example a voltage greater than 300V such as a voltage of 400V, 800V, or more.
  • the present invention thus concerns the manufacture of a planar electrical transformer, that is to say comprising a planar monolithic electrical assembly on which a ferromagnetic core is attached.
  • a known problem lies in the need to produce such electrical transformers which are compact, while taking into account the associated heating and cooling constraints.
  • the most classic structure of known electrical transformer consists of a winding of turns of copper wire around a ferromagnetic core, generally made of ferrite.
  • this type of coil presents a significant bulk because the winding, also called winding, extends around the ferromagnetic core in space, in volume, in other words in a substantially homogeneous manner in the three dimensions of space.
  • a printed circuit board is produced, in other words a PCB (for “Printed Circuit Board”), formed of a substrate, for example made of prepreg material, in which at least one electrically conductive winding is incorporated forming a secondary or primary circuit of an electrical transformer. Then we add on this PCB at least one other winding forming a primary circuit or secondary, respectively, as well as a ferromagnetic core, in order to realize a complete electrical transformer.
  • a PCB for “Printed Circuit Board”
  • this PCB at least one other winding forming a primary circuit or secondary, respectively, as well as a ferromagnetic core, in order to realize a complete electrical transformer.
  • the object of the invention in general, is to promote the industrialization of the manufacture of planar electrical transformers.
  • the subject of the invention is a planar electrical assembly comprising a substrate, in particular formed from prepreg sheets.
  • the planar electrical assembly includes, incorporated in the mass of the substrate:
  • the secondary electrical conductive windings are maintained in the planar electrical assembly solely by the material of said substrate, in particular only by the assembly of the prepreg sheets forming the material of said substrate.
  • a prepreg sheet may also be referred to as a “prepreg sheet”.
  • the electrical assembly according to the invention comprises a plurality of first layers and a plurality of second layers stacked alternately.
  • said at least one primary electrical conductive winding is spiral.
  • said at least one secondary electrical conductive winding has a wavy shape in the plane of the second layer.
  • the planar electrical assembly comprises a plurality of secondary electrical conductive windings connected in parallel to common secondary electrical connection terminals.
  • the substrate is obtained from a stack of several prepreg sheets, thermoset together.
  • the second substrate layer is obtained by attaching the at least one secondary electrical conductive winding to the free face of the third prepreg sheet and covering it with said second prepreg sheet.
  • the first round trip can extend between a first secondary terminal for connecting the secondary electrical conductive winding towards the outside and a second secondary terminal for connecting this secondary electrical conductive winding towards the outside.
  • This connection is for example made with the low voltage part of the on-board network.
  • the second round trip can extend between the aforementioned second secondary connection terminal and a third secondary connection terminal of the secondary electrical conductive winding towards the outside.
  • the second secondary connection terminal can make it possible to define an intermediate connection in the secondary electrical winding, for example at a midpoint.
  • only two secondary terminals can be provided: the first and the third.
  • the primary terminals can project from the same first side of the substrate while the secondary terminals can project from the same second side of the substrate.
  • These first and second sides of the substrate are for example opposite. We can thus dissociate the high voltage part and the low voltage part of the transformer, and better respond to different electrical insulation constraints.
  • Each straight part of the electrical conductive strip can be superimposed on the straight part of a spiral of the electrical track in a first layer along the stacking axis. This improves the coupling.
  • the cumulative width of the different turns forming a straight part of a spiral can be substantially equal to the width of the straight part of the electrically conductive blade which is superimposed on it.
  • all or part of these second layers may comprise an electrically conductive blade as described above. These different blades can be connected in parallel, from one second layer to the other.
  • the aforementioned overlap can be present for all the first layers and all the second layers.
  • the invention also relates to an electrical transformer comprising an electrical assembly according to the invention, as well as a ferromagnetic core attached to said substrate so as to magnetically couple the primary electrical conductive windings with the secondary electrical conductive windings.
  • the ferromagnetic core is attached to a through opening of the planar electrical assembly.
  • planar electrical assembly is pressed against a heat dissipation plate or against a fluid circulation cooling plate, so as to press one face of the ferromagnetic core against the heat dissipation plate or against the fluid circulation cooling plate. fluid to cool the ferromagnetic core.
  • the invention also relates to a method of manufacturing an electrical assembly comprising a primary circuit and a secondary circuit, said method comprising the following steps:
  • a first layer comprising a first sheet of prepreg on one face of which a primary electrical conductive winding is etched, said primary electrical conductive winding being intended to form at least part of a primary circuit of an electrical transformer;
  • the secondary electrical conductive winding is deposited on a prepreg face of the first layer, said secondary electrical conductive winding being intended to form at least part of a secondary circuit of the electrical transformer;
  • the secondary electrical conductive winding is deposited on the free face of said third prepreg sheet.
  • primary electrical connectors electrically connected to the primary electrical conductive windings are then incorporated into the substrate.
  • each secondary electrical conductor has at least one end portion protruding from the superposition of said substrates, in continuity with the plane of the second layer, to form at least one connection terminal of the secondary circuit.
  • a ferromagnetic core is attached to the substrate, so as to magnetically couple the primary electrical conductive windings with the secondary electrical conductive windings and form an electrical transformer.
  • FIG. 1 shows an example of an electrical assembly according to the invention, in perspective
  • Figure 2 represents a top view of the same example of electrical assembly according to the invention
  • Figure 3 represents a top view of a corresponding electrical transformer, that is to say with an attached ferromagnetic core
  • FIG. 4 represents a front view of the same example of electrical transformer according to the invention.
  • FIG. 5 is a diagram of a multilayer architecture of an electrical transformer according to the invention.
  • FIG. 6 represents an example of a primary electrical conductor winding
  • the electrically conductive blade can have a W shape when observed along this stacking axis.
  • This blade here defines two round trips, each round trip comprising two straight parts connected 36 to each other by a bent part 37.
  • the first round trip extends between a first secondary terminal 38 for connecting the secondary electrical conductive winding towards the outside and a second secondary terminal 38 for connecting this secondary electrical conductive winding towards the outside.
  • This connection is for example made with the low voltage part of the on-board network.
  • the second round trip extends between the second secondary connection terminal 38 and a third secondary connection terminal 38.
  • the secondary connection terminals 38 can project from the same side 39 of the substrate 5 and which is here rectilinear. This side 39 is opposite the side 33 relative to which the primary connection terminals 32 project.
  • each straight part 36 of the electrically conductive blade is superimposed on the right part of a spiral 30 along the stacking axis.
  • the electrical assembly 10 of the electrical transformer 1 has a stacked structure, according to which a succession of second and first layers, in other words secondary electrical conductive windings 22 and primary 12, alternate, in the mass of the substrate 5.
  • the electrical assembly comprises, incorporated in the mass of the substrate 5, an alternation of second and first layers.
  • the electrical assembly 10 and a ferromagnetic core 6 attached to the electrical assembly 10 form an electrical transformer 1.
  • Each second layer comprises at least one secondary electrical conductive winding part 22 and each first layer comprises at least one winding part primary 12.
  • the primary winding parts 12 together form a primary circuit of the electric transformer 1.
  • the secondary winding parts 22 together form a secondary circuit of the electric transformer 1.
  • the second layers are separated from the first layers by a substrate thickness 50.
  • the substrate 5 is obtained from prepreg.
  • the primary winding parts 12 are interconnected with each other by superposition and contact.
  • the secondary winding parts 22 are interconnected with each other by superposition and contact outside the volume of the substrate 5.
  • first layer comprising a first sheet of prepreg on one face of which a primary electrical conductive winding 12 is etched which is intended to form at least part of the primary circuit of the electrical transformer 1.
  • An electrical conductive winding is placed secondary 22 on one prepreg face of the first layer.
  • the secondary electrical conductive winding 22 is intended to form at least part of the secondary circuit of the electrical transformer 1.
  • a second sheet of prepreg is then deposited on the secondary electrical conductive winding 22.
  • a primary electrical conductive winding 12 can be etched on each face of the first prepreg sheet.
  • a third sheet of prepreg is then deposited on one side of the first sheet of prepreg.
  • the secondary electrical conductive winding 22 is deposited on the free face of said third prepreg sheet.
  • the primary circuit has ten turns formed by the primary electrical conductive winding 12 and the secondary circuit has one turn of secondary conductive winding 122.
  • the transformation ratio, and therefore the number of turns of the electrical conductive windings primary 12 and secondary 22, is suitable for the desired use.
  • the electrical assembly 10 forms a PCB incorporating the stack of primary 12 and secondary 22 electrical conductive windings, respectively separated and therefore electrically isolated from each other by a thickness 50 obtained from prepreg. At least one free end of the secondary electrical conductive windings 22 projects from the substrate 5 to form an electrical connection terminal 23 of the secondary circuit.
  • the material for making the substrate 5, from prepreg material ("prepreg") in epoxy resin is chosen from the materials usually used to form PCB substrates.
  • the chosen material has malleability, in other words a viscosity, suitable for the manufacturing process described above. In particular, it is capable of integrating the primary 12 and secondary 22 electrical conductive windings into its face and covering them completely.
  • the different layers are pressed against each other, so that the material of the substrate 5 penetrates over and between the electrically conductive windings, in particular within the first or second layer itself. , so that no air layer or air cavity remains in the mass of the substrate 5 of the electrical assembly 10.
  • planar electrical assembly 10 comprising the stack of at least the second layer and the first layer, with respectively at least one primary electrically conductive winding portion 12 and at least one secondary electrically conductive winding portion 22.
  • the ends of the secondary electrical conductive windings forming secondary electrical connectors 23 are brought into contact, to electrically connect the layers of the stack of secondary electrical conductive windings 22 together.
  • a monolithic planar electrical assembly 10 integrated into a PCB To produce a complete electrical transformer 1, it is sufficient to attach a ferromagnetic core 6, in particular made of ferrite, to said electrical assembly 10.
  • the ferromagnetic core 6 can be in one piece or comprise two or more elements.
  • the planar electrical assembly 10 has the advantage, due to its planar structure, of facilitating its cooling, that is to say the cooling of the at least one primary electrical conductive winding 12 and of the at least one secondary electrical conductive winding 22.
  • the electrical assembly 10, monolithic can in fact be easily pressed against a heat dissipation plate 30, in particular a cooling plate with fluid circulation, as for example illustrated in Figure 8.
  • the planar electrical assembly 10 also makes it possible to press one face of the core 8 against the heat dissipation plate 30, in particular the circulation cooling plate of fluid, to cool the core 8.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Coils Or Transformers For Communication (AREA)
  • Coils Of Transformers For General Uses (AREA)

Abstract

La présente invention vise un ensemble électrique (10) planaire comprenant un substrat (5), notamment formé à partir de feuilles de préimprégné, comprenant, incorporés dans la masse du substrat (5) : - au moins un enroulement conducteur électrique primaire (12), dans une première couche du substrat (5), et formant au moins une partie d'un circuit primaire pour un transformateur électrique (1), et, d'autre part - au moins un enroulement conducteur électrique secondaire (22), dans une deuxième couche du substrat (5) superposée à la première couche, formant au moins une partie d'un circuit secondaire pour le transformateur électrique (1).

Description

Ensemble et transformateur électrique planaire
La présente invention concerne le domaine des transformateurs électriques. Plus précisément, la présente invention vise un ensemble électrique planaire pour former un transformateur électrique planaire.
Ce transformateur électrique appartient par exemple à un circuit électrique embarqué dans un véhicule électrique ou hybride, ce circuit étant communément appelé « réseau de bord ».
Ce transformateur permet par exemple le passage d’une tension de 12V ou 48V à une tension supérieure à 300V, par exemple de 400V ou 800V, et vice versa. En variante, ce transformateur est associé à un onduleur/redresseur pour la charge depuis un réseau électrique extérieur au véhicule d’une unité de stockage d’énergie électrique du véhicule, cette unité de stockage d’énergie électrique ayant par exemple une tension de 48V ou plus, par exemple une tension supérieure à 300V telle qu’une tension de 400V, 800V, ou plus.
La présente invention concerne ainsi la fabrication d’un transformateur électrique planaire, c’est-à- dire comprenant un ensemble électrique monolithique plan sur lequel est rapporté un noyau ferromagnétique.
Une problématique connue réside dans le besoin de produire de tels transformateurs électriques qui soient compacts, tout en tenant compte des contraintes d’échauffement et de refroidissement associées.
La structure la plus classique de transformateur électrique connue consiste en un enroulement en spires de fil de cuivre autour d’un noyau ferromagnétique, généralement constitué de ferrite. Cependant, ce type de bobine présente un encombrement important car l’enroulement, également désigné bobinage, s’étend autour du noyau ferromagnétique dans l’espace, en volume, autrement dit de façon sensiblement homogène dans les trois dimensions de l’espace.
Selon l’état de la technique, il est de ce fait connu de réaliser des bobines constituées de fines couches de matériau conducteur électriquement, notamment du cuivre, superposées, séparées par de fines couches isolantes électriquement. Lesdites couches de matériau électriquement conducteur sont mises en contact mécanique et électrique entre elles, notamment par soudure, pour former une spirale apte à assurer une fonction de bobine. On obtient alors des bobines sensiblement planes présentant un faible encombrement spatial.
Cependant, pour constituer un transformateur électrique, il est nécessaire de disposer d’un circuit primaire et d’un circuit secondaire couplés magnétiquement via un noyau ferromagnétique. Ainsi, pour réaliser un transformateur électrique ayant un encombrement réduit, même compte tenu de la technologie correspondant aux bobines sensiblement planes évoquée ci-dessus, dans l’état de l’art, on réalise une carte de circuit imprimé, autrement dit un PCB (pour « Printed Circuit Board »), formé d’un substrat, par exemple en matériau préimprégné, dans lequel est incorporé au moins un enroulement conducteur électrique formant un circuit secondaire ou primaire d’un transformateur électrique. Puis on rapporte sur ce PCB au moins un autre enroulement formant un circuit primaire ou secondaire, respectivement, ainsi qu’un noyau ferromagnétique, afin de réaliser un transformateur électrique complet. On rapporte ainsi, sur le PCB qui intègre un enroulement secondaire ou primaire, un autre enroulement conducteur, généralement en cuivre, qui est brasé ou soudé, voire collé, sur ledit PCB.
Il existe donc toujours un besoin pour un transformateur électrique planaire moins encombrant, ainsi que pour un procédé de fabrication correspondant. L’objet de l’invention, de façon générale, est de favoriser l’industrialisation de la fabrication de transformateurs électriques planaires.
Plus précisément, l’invention a pour objet un ensemble électrique planaire comprenant un substrat, notamment formé à partir de feuilles de préimprégné. L’ensemble électrique planaire comprend, incorporés dans la masse du substrat :
- au moins un enroulement conducteur électrique primaire, dans une première couche du substrat, et formant au moins une partie d’un circuit primaire pour un transformateur électrique, et, d’autre part
- au moins un enroulement conducteur électrique secondaire, dans une deuxième couche du substrat superposée à la première couche, formant au moins une partie d’un circuit secondaire pour le transformateur électrique.
Notamment, les enroulements conducteurs électriques secondaires sont maintenus dans l’ensemble électrique planaire uniquement par la matière dudit substrat, en particulier uniquement par l’assemblage des feuilles de préimprégné formant la matière du dudit substrat. Une feuille de préimprégné peut aussi être désignée par l’expression « feuille de prépreg ».
Selon un mode de réalisation, l’ensemble électrique selon l’invention comprend une pluralité de premières couches et une pluralité de deuxièmes couches empilées en alternance. Selon un mode de réalisation, ledit au moins un enroulement conducteur électrique primaire est en spirale.
Selon un mode de réalisation, ledit au moins un enroulement conducteur électrique secondaire présente une forme ondulée dans le plan de la deuxième couche.Selon un mode de réalisation, l’ensemble électrique planaire comprend une pluralité d’enroulements conducteurs électriques secondaires connectées en parallèle à des bornes de connexion électriques secondaires communes.
Selon un mode de réalisation, le substrat est obtenu à partir d’un empilement de plusieurs feuilles de préimprégné, thermodurcies ensemble.
Selon une variante :
- la première couche du substrat est obtenue à partir d’ au moins une première feuille de préimprégné sur une face de laquelle l’au moins un enroulement conducteur électrique primaire est gravé, et
- la deuxième couche du substrat est obtenue en rapportant l’au moins un enroulement conducteur électrique secondaire sur une face de préimprégné de la première couche et en recouvrant ledit enroulement conducteur électrique secondaire d’une deuxième feuille de préimprégné.
Notamment, dans le cadre de la présente demande, « face de préimprégné » désigne une surface externe d’une couche, ladite surface étant intégralement formée de préimprégné. Selon une sous-variante :
- la première couche du substrat est obtenue à partir de la première feuille de préimprégné sur chaque face de laquelle un enroulement conducteur électrique primaire respectif est gravé, une troisième feuille de préimprégné recouvrant ensuite une face de ladite première feuille de préimprégné ;
- la deuxième couche de substrat est obtenue en rapportant l’au moins un enroulement conducteur électrique secondaire sur la face libre de la troisième feuille de préimprégné et en le recouvrant de ladite deuxième feuille de préimprégné.
Selon un mode de réalisation :
- l’enroulement conducteur électrique primaire est formé d’une piste électrique, notamment ayant une épaisseur inférieure ou égale à 0,25mm ; et
- l’enroulement conducteur électrique secondaire est formé d’une lame conductrice électrique (ou encore d’un conducteur rigide tel qu’un barreau électriquement conducteur), notamment ayant une épaisseur supérieure ou égale à 0,4 mm et/ou inférieure à 2mm.
Dans une première couche au moins, l’enroulement conducteur électrique primaire peut être une piste électrique définissant deux spirales connectées en série. Ces deux spirales peuvent présenter la même forme et être symétriques l’une de l’autre par rapport à un axe coupant le substrat. Cet axe coupe alors la connexion en série entre les deux spirales.
D’une extrémité d’une spirale à l’autre, y compris au niveau de la connexion en série entre les deux spirales, la piste électrique définissant l’enroulement conducteur électrique primaire peut conserver la même largeur.
Chaque spirale peut présenter à son extrémité libre une borne primaire de connexion, cette borne primaire permettant la connexion de l’enroulement conducteur électrique primaire vers l’extérieur. Cette connexion est par exemple faite avec la partie haute tension du réseau de bord.
D’une spirale à l’autre, le même nombre de tours peut être présent, par exemple entre trois et dix tours, par exemple cinq tours.
Lorsque plusieurs premières couches sont présentes, tout ou partie de ces premières couches peut comprendre une piste électrique définissant deux spirales connectées en série, et ces différentes spirales en série peuvent être connectées en parallèle, d’une première couche à l’autre.
Dans une deuxième couche au moins, l’enroulement électrique secondaire peut être une lame conductrice électrique présentant une forme ondulée.
Dans un axe d’empilement selon lequel la ou les premières couches sont empilées avec la ou les deuxièmes couches, la lame conductrice électrique et la piste électrique définissant deux spirales connectées en série peuvent se recouvrir au moins partiellement. Une telle disposition peut permettre de renforcer encore l’effet d’induction.
La lame conductrice électrique peut présenter une forme en W lorsqu’ observée selon cet axe d’empilement. La lame définit par exemple deux aller-retours, chaque aller-retour comprenant deux parties droites reliées entre elles par une partie coudée.
Le premier aller-retour peut s’étendre entre une première borne secondaire de connexion de l’enroulement conducteur électrique secondaire vers l’extérieur et une deuxième borne secondaire de connexion de cet enroulement conducteur électrique secondaire vers l’extérieur. Cette connexion est par exemple effectuée avec la partie basse tension du réseau de bord.
Le deuxième aller-retour peut s’étendre entre la deuxième borne secondaire de connexion précitée et une troisième borne secondaire de connexion de l’enroulement conducteur électrique secondaire vers l’extérieur. La deuxième borne secondaire de connexion peut permettre de définir une connexion intermédiaire dans l’enroulement électrique secondaire, par exemple en un point milieu. En variante, seules deux bornes secondaires peuvent être prévues : la première et la troisième.
Lorsque les bornes primaires et secondaires sont présentes, les bornes primaires peuvent faire saillie d’un même premier côté du substrat tandis que les bornes secondaires peuvent faire saillie d’un même deuxième côté du substrat. Ces premier et deuxième côtés du substrat sont par exemple opposés. On peut ainsi dissocier la partie haute tension et la partie basse tension du transformateur, et mieux répondre à des contraintes d’isolation électrique différentes.
Chaque partie droite de la lame conductrice électrique peut être superposée à la partie droite d’une spirale de la piste électrique dans une première couche selon l’axe d’empilement. On améliore ainsi le couplage.
La largeur cumulée des différents tours formant une partie droite d’une spirale peut être sensiblement égale à la largeur de la partie droite de la lame conductrice électrique qui lui est superposée.
Lorsque plusieurs deuxièmes couches sont présentes, tout ou partie de ces deuxièmes couches peut comprendre une lame conductrice électrique telle que décrite ci-dessus. Ces différentes lames peuvent être connectées en parallèle, d’une deuxième couche à l’autre.
Le recouvrement précité peut être présent pour toutes les premières couches et toutes les deuxièmes couches.
L’invention vise également un transformateur électrique comprenant un ensemble électrique selon l’invention, ainsi qu’un noyau ferromagnétique rapporté sur ledit substrat de manière à coupler magnétiquement les enroulements conducteurs électriques primaires avec les enroulements conducteurs électriques secondaires. Notamment, le noyau ferromagnétique est rapporté dans une ouverture traversante de l’ensemble électrique planaire.
Notamment, l’ensemble électrique planaire est plaqué contre une plaque de dissipation thermique ou contre une plaque de refroidissement à circulation de fluide, de sorte à plaquer une face du noyau ferromagnétique contre la plaque de dissipation thermique ou contre la plaque de refroidissement à circulation de fluide pour refroidir le noyau ferromagnétique. L’invention vise par ailleurs un procédé de fabrication d’un ensemble électrique comprenant un circuit primaire et un circuit secondaire, ledit procédé comprenant les étapes suivantes :
- on forme une première couche comprenant une première feuille de préimprégné sur une face de laquelle on grave un enroulement conducteur électrique primaire, ledit enroulement conducteur électrique primaire étant destiné à former au moins une partie d’un circuit primaire d’un transformateur électrique ;
- on dispose d’un conducteur électrique monolithique, dit enroulement conducteur électrique secondaire ;
- on dépose l’enroulement conducteur électrique secondaire sur une face de préimprégné de la première couche, ledit enroulement conducteur électrique secondaire étant destiné à former au moins une partie d’un circuit secondaire du transformateur électrique ;
- on dépose, au-dessus, une deuxième feuille de préimprégné ;
- on presse et on chauffe l’ensemble des feuilles de préimprégné et des enroulements conducteurs électriques primaire et secondaire, de sorte à assembler ensemble lesdites feuilles et à former l’ensemble électrique comprenant l’empilement d’enroulements conducteurs électriques primaire et secondaire.
Tout ou partie de ce qui précède et qui a été décrit en rapport avec l’ensemble électrique planaire s’applique encore au procédé, notamment la structure de l’enroulement conducteur électrique primaire avec la piste électrique définissant deux spirales connectées en série, et la structure de l’enroulement conducteur électrique secondaire qui présente une forme ondulée.
Selon une mise en œuvre du procédé selon l’invention :
- dans la formation de la première couche du substrat, on grave un enroulement conducteur électrique primaire respectif sur les deux faces de la première feuille de préimprégné,
- puis on dépose une troisième feuille de préimprégné sur une face de la première feuille de préimprégné,
- ensuite, on dépose l’enroulement conducteur électrique secondaire sur la face libre de la dite troisième feuille de préimprégné.
Selon un mode de réalisation, on incorpore ensuite, dans le substrat, des connecteurs électriques primaires reliés électriquement aux enroulements conducteurs électriques primaires.
Selon un mode de réalisation, chaque conducteur électrique secondaire a au moins une portion d’extrémité dépassant de la superposition desdits substrats, dans la continuité du plan de la deuxième couche, pour former au moins une borne de connexion du circuit secondaire.
Selon un mode de réalisation, on rapporte un noyau ferromagnétique sur le substrat, de sorte à coupler magnétiquement les enroulements conducteurs électriques primaires avec les enroulements conducteurs électriques secondaires et former un transformateur électrique. L’invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d’exemple, et se référant aux dessins annexés donnés à titre d’exemples non limitatifs, dans lesquels des références identiques sont données à des objets semblables et sur lesquels :
- la figure 1 montre un exemple d’ensemble électrique selon l’invention, en perspective ;
- la figure 2 représente une vue de dessus du même exemple d’ensemble électrique selon l’invention ; la figure 3 représente une vue de dessus d’un transformateur électrique correspondant, c’est-à-dire avec un noyau ferromagnétique rapporté ;
- la figure 4 représente une vue de face du même exemple de transformateur électrique selon l’invention ;
- la figure 5 est un schéma d’une architecture multicouche d’un transformateur électrique selon l’invention ;
- la figure 6 représente un exemple d’enroulement conducteur électrique primaire;
- la figure 7 représente un exemple d’enroulement conducteur électrique secondaire ;
- la figure 8 représente une vue en perspective du transformateur électrique muni d’une plaque de dissipation thermique.
Il faut noter que les figures exposent l’invention de manière détaillée pour permettre de mettre en œuvre l’invention, lesdites figures pouvant bien entendu servir à mieux définir l’invention le cas échéant.
L’invention concerne, en substance, la réalisation d’un transformateur électrique planaire, monolithique à l’exception du seul noyau ferromagnétique, qui est rapporté.
L’invention réside par conséquent, en premier lieu, en un substrat incorporant dans la masse du substrat une structure empilée d’ au moins une première couche intégrant un enroulement conducteur électrique de circuit primaire et d’ au moins une deuxième couche intégrant un enroulement conducteur électrique de circuit secondaire. Le substrat est obtenu à partir de matériau préimprégné, autrement dit de prépreg, par exemple en résine époxy. Notamment, ledit substrat forme donc une carte de circuit imprimé, autrement dit un PCB.
L’invention vise aussi un procédé de fabrication correspondant.
En référence aux figures 1 à 7, le transformateur électrique 1 selon un exemple de l’invention comprend ainsi, en premier lieu, un ensemble électrique monolithique 10, notamment intégré dans un PCB.
L’ensemble comprend un substrat 5, notamment obtenu à partir de prépreg. Le substrat comprend une deuxième couche dans laquelle est intégré un enroulement conducteur secondaire 22, c’est-à-dire destiné à former au moins une partie d’un circuit secondaire de transformateur électrique.
Au-dessus de cet enroulement conducteur secondaire 22, une épaisseur de substrat 50, notamment obtenue à partir de prépreg en l’espèce, recouvre ledit enroulement conducteur électrique secondaire 22 et le sépare d’une première couche qui intègre un enroulement conducteur primaire 12, c’est-à-dire destiné à former au moins une partie d’un circuit primaire de transformateur électrique.
Au-dessus de cet enroulement conducteur primaire 12, une épaisseur de substrat 50, notamment obtenue à partir de prépreg en l’espèce, recouvre ledit enroulement conducteur électrique primaire 12.
Les épaisseurs de substrat 50 obtenues à partir de prépreg assurent l’isolation électrique.
Les enroulements conducteurs électriques primaire 12 et secondaire 22 présentent notamment une épaisseur comprise entre 0,4 mm et 4 mm, de préférence comprise entre 0.8 mm et 2 mm.
Selon un mode de réalisation, l’enroulement conducteur électrique primaire 12 peut prendre la forme d’un enroulement en spirale, plan, par exemple représenté en figure 6. L’enroulement conducteur électrique secondaire 22 peut prendre la forme d’un conducteur électrique plat, également désigné « leadframe », notamment ayant une forme ondulant dans le plan du conducteur plat, comme illustré par exemple en figure 7. Notamment, l’enroulement conducteur électrique primaire 12 est formé d’une piste électrique, notamment ayant une épaisseur inférieure ou égale à 0,25 mm et l’enroulement conducteur électrique secondaire 22 est formé d’une lame conductrice électrique ayant une épaisseur supérieure ou égale à 0,4 mm et/ou inférieure à 2 mm.
Dans une première couche au moins, l’enroulement conducteur électrique primaire 12 est ici une piste électrique définissant deux spirales 30 connectées en série. Ces deux spirales 30 présentent dans l’exemple considéré la même forme et elles sont symétriques l’une de l’autre par rapport à un axe (X) coupant le substrat 5. Comme représenté sur la figure 6, cet axe (X) coupe ici la connexion 31 en série entre les deux spirales 30.
On observe aussi sur les figures 2 et 3 que, d’une extrémité d’une spirale 30 à l’autre, y compris au niveau de la connexion 31 en série entre les deux spirales 30, la piste électrique définissant l’enroulement conducteur électrique primaire 12 peut conserver la même largeur.
On observe également sur les figures 2, 3 et 6 que chaque spirale 30 peut présenter à son extrémité libre une borne primaire 32 de connexion. Ces bornes primaires 32 de connexion permettent ici la connexion de l’enroulement conducteur électrique primaire 12 avec la partie haute tension du réseau de bord. Chaque borne primaire 32 de connexion comprend par exemple deux plots permettant une répartition du courant dans la connexion avec la partie haute tension du réseau de bord.
On constate sur les figures 2 et 3 que ces bornes primaires 32 de connexion s’étendent ici d’un même côté 33 du substrat, ce côté 33 étant dans l’exemple considéré rectiligne.
On observe également que, d’une spirale 30 à l’autre, le même nombre de tours est présent, ce nombre de tours étant ici égal à 5.
Dans au moins une deuxième couche, l’enroulement conducteur électrique secondaire 22 est dans les exemples considérés une lame conductrice électrique présentant une forme ondulée.
On observe sur les figures 2, 3 et 5 que, dans un axe d’empilement perpendiculaire au plan des figures 2 et 3 selon lequel la ou les premières couches sont empilées avec la ou les deuxièmes couches, la lame conductrice électrique 22 et la piste électrique définissant deux spirales connectées 30 en série se recouvrent partiellement.
Comme visible sur les figures 2, 3 et 7, la lame conductrice électrique peut présenter une forme en W lorsqu’ observée selon cet axe d’empilement. Cette lame définit ici deux aller-retours, chaque aller- retour comprenant deux parties droites reliées 36 entre elles par une partie coudée 37. Dans cette réalisation, le premier aller-retour s’étend entre une première borne secondaire 38 de connexion de l’enroulement conducteur électrique secondaire vers l’extérieur et une deuxième borne secondaire 38 de connexion de cet enroulement conducteur électrique secondaire vers l’extérieur. Cette connexion est par exemple effectuée avec la partie basse tension du réseau de bord. Toujours dans cette réalisation, le deuxième aller-retour s’étend entre la deuxième borne secondaire de connexion 38 et une troisième borne secondaire 38 de connexion.
On observe également sur les figures 1 à 3 que les bornes secondaires 38 de connexion peuvent faire saillie d’un même côté 39 du substrat 5 et qui est ici rectiligne. Ce côté 39 est opposé au côté 33 par rapport auquel les bornes primaires 32 de connexion font saillie.
On constate également sur la figure 2 que chaque partie droite 36 de la lame conductrice électrique est superposée à la partie droite d’une spirale 30 selon l’axe d’empilement.
Selon un mode de réalisation, comme par exemple représenté schématiquement sur la figure 5, l’ensemble électrique 10 du transformateur électrique 1 présente une structure empilée (ou « stacked » en langue anglaise), selon laquelle une succession de deuxièmes et de premières couches, autrement dit d’enroulements conducteurs électriques secondaires 22 et primaires 12, alternent, dans la masse du substrat 5.
Ainsi, en référence à la figure 5, l’ensemble électrique comprend, incorporée dans la masse du substrat 5, une alternance de deuxièmes et de premières couches. L’ensemble électrique 10 et un noyau ferromagnétique 6 rapporté sur l’ensemble électrique 10 forment un transformateur électrique 1. Chaque deuxième couche comprend au moins une partie d’enroulement conducteur électrique secondaire 22 et chaque première couche comprend au moins une partie d’enroulement primaire 12. Les parties d’enroulement primaire 12 forment ensemble un circuit primaire du transformateur électrique 1. Les parties d’enroulement secondaire 22 forment ensemble un circuit secondaire du transformateur électrique 1. Les deuxièmes couches sont séparées des premières couches par une épaisseur de substrat 50. Notamment, comme déjà indiqué précédemment, le substrat 5 est obtenu à partir de prépreg. Notamment, les parties d’enroulement primaire 12 sont interconnectées entre elles par superposition et contact. Les parties d’enroulement secondaire 22 sont interconnectées entres elles par superposition et contact en dehors du volume du substrat 5.
Par construction, de préférence, il n’y a pas de gap d’air entre les premières et deuxièmes couches. De préférence, il n’y a pas de couche d’air dans la masse du substrat 5. Pour réaliser l’ensemble électrique 10 planaire, il est en outre proposé le procédé de fabrication décrit ci-après.
On forme d’ abord une première couche comprenant une première feuille de préimprégné sur une face de laquelle on grave un enroulement conducteur électrique primaire 12 qui est destiné à former au moins une partie du circuit primaire du transformateur électrique 1. On dispose un enroulement conducteur électrique secondaire 22 sur une face de préimprégné de la première couche. L’enroulement conducteur électrique secondaire 22 est destiné à former au moins une partie du circuit secondaire du transformateur électrique 1. Une deuxième feuille de préimprégné est ensuite déposée sur l’enroulement conducteur électrique secondaire 22.
En particulier, dans la formation de la première couche du substrat 5, on peut graver un enroulement conducteur électrique primaire 12 sur chaque face de la première feuille de préimprégné. Une troisième feuille de préimprégné est ensuite déposée sur une face de la première feuille de préimprégné. Après quoi, on dépose l’enroulement conducteur électrique secondaire 22 sur la face libre de la dite troisième feuille de préimprégné.
Par exemple, le circuit primaire présente dix tours formés par l’enroulement conducteur électrique primaire 12 et le circuit secondaire présente un tour d’enroulement conducteur secondaire 122. Bien entendu, le rapport de transformation, et donc le nombre de tours des enroulements conducteurs électriques primaires 12 et secondaires 22, est adapté à l’usage voulu.
On réitère, le cas échéant, ces opérations, pour former une base de substrat multicouche.
On presse ensemble les couches de prépreg avec les enroulements conducteurs électriques primaires 12 et secondaires 22, et on augmente la température. Ainsi comprimé, l’ensemble électrique 10 forme un PCB incorporant l’empilement d’enroulements conducteurs électriques primaires 12 et secondaires 22, respectivement séparés et donc isolés électriquement les uns des autres par une épaisseur 50 obtenue à partir de prépreg. Au moins une extrémité libre des enroulements conducteurs électriques secondaires 22 fait saillie du substrat 5 pour réaliser une borne de connexion électrique 23 du circuit secondaire.
Il est noté que le matériau pour réaliser le substrat 5, à partir de matériau préimprégné (« prépreg ») en résine époxy, est choisi parmi les matériaux utilisés habituellement pour former des substrats de PCB. Le matériau choisi présente une malléabilité, autrement dit une viscosité, adaptée pour le procédé de fabrication décrit précédemment. En particulier, il est apte à intégrer dans sa face les enroulements conducteurs électriques primaire 12 et secondaire 22 et à les recouvrir intégralement. Dans la phase de fabrication, les différentes couches sont pressées les unes contre les autres, de sorte que le matériau du substrat 5 s’immisce par-dessus et entre les enroulements conducteurs électriques, notamment au sein même de la première ou de la deuxième couche, de manière à ce qu’il ne subsiste pas de couche d’air ou de cavité d’air dans la masse du substrat 5 de l’ensemble électrique 10. Une fois réalisé l’ensemble électrique 10 planaire comprenant l’empilement d’au moins la deuxième couche et la première couche, avec respectivement au moins une partie d’enroulement conducteur électrique primaire 12 et au moins une partie d’enroulement conducteur électrique secondaire 22, on met en contact les extrémités des enroulements conducteurs électriques secondaires formant des connecteurs électriques secondaires 23, pour relier électriquement entre elles les couches de l’empilement d’enroulements conducteurs électriques secondaire 22.
On obtient ainsi un ensemble électrique 10 planaire monolithique intégré dans un PCB. Pour réaliser un transformateur électrique 1 complet, il suffit de rapporter un noyau ferromagnétique 6, notamment en ferrite, sur ledit ensemble électrique 10. Le noyau ferromagnétique 6 peut être monobloc ou comporter deux ou plusieurs éléments.
L’ensemble électrique 10 planaire présente l’avantage, du fait de sa structure planaire, de faciliter son refroidissement, c’est-à-dire le refroidissement de l’au moins un enroulement conducteur électrique primaire 12 et de l’au moins un enroulement conducteur électrique secondaire 22. L’ensemble électrique 10, monolithique, peut en effet être facilement plaqué contre une plaque de dissipation thermique 30, notamment une plaque de refroidissement à circulation de fluide, comme par exemple illustré en figure 8. De plus, en étant plaqué contre une plaque de dissipation thermique 30, notamment une plaque de refroidissement à circulation de fluide, l’ensemble électrique planaire 10 permet également de plaquer une face du noyau 8 contre la plaque de dissipation thermique 30, notamment la plaque de refroidissement à circulation de fluide, pour refroidir le noyau 8.
En outre, dans le cas d’une structure empilée de plusieurs deuxièmes couches et de plusieurs premières couches, dans laquelle les primaires sont intercalés entre les secondaires, on obtient de meilleures performances électromagnétiques par rapport aux structures de l’art antérieur.

Claims

Revendications
1. Ensemble électrique (10) planaire comprenant un substrat (5), notamment formé à partir de feuilles de préimprégné, et comprenant, incorporés dans la masse du substrat (5) :
- au moins un enroulement conducteur électrique primaire (12), dans une première couche du substrat (5), et formant au moins une partie d’un circuit primaire pour un transformateur électrique (1), et, d’autre part
- au moins un enroulement conducteur électrique secondaire (22), dans une deuxième couche du substrat (5) superposée à la première couche, et formant au moins une partie d’un circuit secondaire pour le transformateur électrique (1) l’enroulement conducteur électrique primaire (12) étant formé d’une piste électrique définissant deux spirales (30) connectées en série et l’enroulement conducteur électrique secondaire (22) étant formé d’une lame conductrice électrique présentant une forme ondulée, dans un axe d’empilement selon lequel la première couche est empilée avec la deuxième couche, la lame conductrice électrique (22) et la piste électrique définissant deux spirales (30) connectées en série se recouvrant au moins partiellement.
2. Ensemble électrique (10) planaire selon la revendication 1, les deux spirales (30) présentant la même forme et étant symétriques l’une de l’autre par rapport à un axe (X) coupant le substrat.
3. Ensemble électrique (10) planaire selon l’une des revendications précédentes, la lame conductrice électrique (22) présentant une forme en W lorsqu’ observée selon l’axe d’empilement.
4. Ensemble électrique (10) planaire selon la revendication 3, la lame conductrice électrique (22) définissant deux aller-retours, chaque aller-retour comprenant deux parties droites (36) reliées entre elles par une partie coudée (37).
5. Ensemble électrique planaire (10) selon la revendication 4, chaque partie droite (36) de la lame électriquement conductrice étant superposée à la partie droite d’une spirale (30) de la piste électrique dans une première couche selon l’axe d’empilement.
6. Ensemble électrique (10) planaire selon la revendication 4 ou 5, le premier aller-retour s’étendant entre une première borne secondaire (38) de connexion de l’enroulement conducteur électrique secondaire (22) vers l’extérieur et une deuxième borne secondaire (38) de connexion de cet enroulement conducteur électrique secondaire (22) vers l’extérieur, et le deuxième aller-retour s’étendant entre la deuxième borne secondaire (38) de connexion et une troisième borne secondaire
(38) de connexion de l’enroulement conducteur électrique secondaire (22) vers l’extérieur.
7. Ensemble électrique (10) planaire selon les revendications 3 et 6, les bornes primaires (32) de connexion faisant saillie d’un même premier côté (33) du substrat et les bornes secondaires (38) de connexion faisant saillie d’un même deuxième côté (39) du substrat, ces premier (33) et deuxième
(39) côtés du substrat étant opposés.
8. Ensemble électrique (10) planaire selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant une pluralité de premières couches et une pluralité de deuxièmes couches empilées en alternance.
9. Ensemble électrique (10) planaire selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le substrat (5) est obtenu à partir d’un empilement de plusieurs feuilles de préimprégné, thermodurcies ensemble.
10. Ensemble électrique planaire (10) selon la revendications 9, dans lequel :
- la première couche du substrat (5) est obtenue à partir d’au moins une première feuille de préimprégné sur une face de laquelle l’au moins un enroulement conducteur électrique primaire (12) est gravé, et
- la deuxième couche du substrat (5) est obtenue en rapportant l’au moins un enroulement conducteur électrique secondaire sur une face de préimprégné de la première couche et en recouvrant ledit enroulement conducteur électrique secondaire d’une deuxième feuille de préimprégné.
11. Ensemble électrique planaire (10) selon la revendication 10, dans lequel :
- la première couche du substrat (5) est obtenue à partir de la première feuille de préimprégné sur chaque face de laquelle un enroulement conducteur électrique primaire (12) respectif est gravé, une troisième feuille de préimprégné recouvrant ensuite une face de ladite première feuille de préimprégné ;
- la deuxième couche de substrat (5) est obtenue en rapportant l’au moins un enroulement conducteur électrique secondaire (22) sur la face libre de la troisième feuille de préimprégné et en le recouvrant de ladite deuxième feuille de préimprégné.
12. Ensemble électrique planaire (10) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la piste électrique de l’enroulement conducteur électrique primaire (12) a une épaisseur inférieure ou égale à 0,25 mm ; et la lame conductrice électrique de l’enroulement conducteur électrique secondaire (22) a une épaisseur supérieure ou égale à 0,4 mm et/ou inférieure à 2 mm.
13. Transformateur électrique (1) comprenant un ensemble électrique (10) selon l’une quelconque des revendications précédentes, ainsi qu’un noyau ferromagnétique (6) rapporté sur ledit substrat (5) de manière à coupler magnétiquement les enroulements conducteurs électriques primaires (12) avec les enroulements conducteurs électriques secondaires (22).
14. Procédé de fabrication d’un ensemble électrique (10) comprenant un circuit primaire et un circuit secondaire, ledit procédé comprenant les étapes suivantes :
- on forme une première couche comprenant une première feuille de préimprégné sur une face de laquelle on grave un enroulement conducteur électrique primaire (12), ledit enroulement conducteur électrique primaire étant destiné à former au moins une partie d’un circuit primaire d’un transformateur électrique (1), cet enroulement conducteur électrique primaire (12) étant formé d’une piste électrique définissant deux spirales connectées en série ;
- on dispose d’un conducteur électrique monolithique, dit enroulement conducteur électrique secondaire, cet enroulement conducteur électrique secondaire (22) étant formé d’une lame conductrice électrique présentant une forme ondulée ;
- on dépose l’enroulement conducteur électrique secondaire (22) sur une face de préimprégné de la première couche, ledit enroulement conducteur électrique secondaire (22) étant destiné à former au moins une partie d’un circuit secondaire du transformateur électrique (1) ;
- on dépose, au-dessus, une deuxième feuille de préimprégné ;
- on presse et on chauffe l’ensemble des feuilles de préimprégné et des enroulements conducteurs électriques primaire (12) et secondaire (22), de sorte à assembler ensemble selon un axe d’empilement lesdites feuilles et à former l’ensemble électrique (10) comprenant l’empilement d’enroulements conducteurs électriques primaire (12) et secondaire (22), et de sorte que dans l’axe d’empilement, la lame électriquement conductrice (22) et la piste électrique définissant deux spirales connectées en série se recouvrent au moins partiellement.
15. Procédé selon la revendication 14, dans lequel : dans la formation de la première couche du substrat (5), on grave un enroulement conducteur électrique primaire (12) respectif sur les deux faces de la première feuille de préimprégné puis on dépose une troisième feuille de préimprégné sur une face de la première feuille de préimprégné, ensuite, on dépose l’enroulement conducteur électrique secondaire (22) sur la face libre de la dite troisième feuille de préimprégné.
16. Procédé selon la revendication 14 ou 15, dans lequel on rapporte un noyau ferromagnétique (6) sur le substrat (5), de sorte à coupler magnétiquement les enroulements conducteurs électriques primaires (12) avec les enroulements conducteurs électriques secondaires (22) et former un transformateur électrique (1).
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