FR2752642A1 - Transformateur-redresseur t.h.t. pour montage en surface - Google Patents

Abstract

Transformateur-redresseur THT (quelques kilovolts) miniaturisé pour montage en surface sur substrat céramique sérigraphié. L'enroulement primaire (7) d'une part et les enroulements secondaires (N1 à N8) d'autre part sont respectivement bobinés sur des jambes distinctes (9, 10) du circuit magnétique, suffisamment éloignées l'une de l'autre pour obtenir une self de fuite importante. Le secondaire est formé par un empilement de galettes (G1 à G8) qui comportent chacune un enroulement respectif (N1 à N8) et le pont de diodes (P1 à P8) associé, avec leurs connectiques respectives. Le primaire est collé sur une plaque céramique d'interface (16) qui est, à l'instar desdites galettes (G1 à G8), métallisée sur sa tranche pour constituer un plan de report confondu avec la surface du substrat récepteur.

Description

La présente invention se rapporte à un transformateur-redresseur
T.H.T. (Très Haute Tension) miniaturisé pour montage en surface sur substrat céramique sérigraphié.

Un exemple spécifique d'environnement dans lequel un transformateur-redresseur T.H.T. selon l'invention s'intègre typiquement est représenté sur le schéma électrique de la figure I jointe.

il s'agit sur cette figure 1 d'un convertisseur-élévateur de tension continue qui fournit, pour une tension d'entrée continue VE qui est typiquement de quelques centaines de volts, une tension de sortie continue
Vs qui est par exemple de l'ordre de quelques kilovolts.

Ce circuit comporte un hacheur 1, en soi très classique, qui comporte quatre interrupteurs statiques de type transistor MOS, référencés 2 à 5, en montage en pont dont la diagonale d'entrée est alimentée par la tension d'entrée continue VE comme représenté. Les quatre transistors 2, 3, 4, 5 sont respectivement commandés à l'allumage par les trains de signaux impulsionnels récurrents Q1, Q2, Q1, Q2, les trains de signaux Q1 et Q2 étant décalés entre eux comme représenté sur les figures 2A et 2f3 jointes, et de fréquence élevée, par exemple de l'ordre de quelques centaines de kilohertz.

Il en résulte, sur la diagonale de sortie de ce pont, une tension
Vp, représentée en Figure 2C, qui se compose d'une suite d'impulsions relativement brèves (de largeur égale au décalage entre les trains d'impulsions Qi et Q2), espacées, et alternativement positives et négatives.

Pour obtenir une tension redressée Vs de valeur absolue de bien plus forte amplitude, ou tT.H.T." que celle de la tension Vp, il est utilisé un transformateur-redresseur 6 qui comporte un enroulement primaire bassetension 7 et une pluralité d'enroulements secondaires NI, N2, N3, ..., Nn.

Chacun de ces enroulements secondaires alimente un pont de diodes respectif P1, P2, P3, ..., Pn, les sorties redressées de cette pluralité de ponts étant branchées en série comme représenté pour obtenir la tension de sortie Vs.

Conformément à une caractéristique de l'invention, une inductance série L de forte valeur est branchée en série entre le hacheur en pont 1 et le transformateur 6. De la sorte, le courant lp, représenté sur la figure 2D, qui est fourni par le hacheur 1 au primaire 7 du transformateur est un courant en dents de scie, qui est alternativement positif et négatif, les alternances positives étant symétriques des alternances négatives. Le transformateur 6 fonctionne en conséquence en transformateur de courant et non pas en transformateur de tension.

L'invention se propose d'intégrer dans un seul bloc 8 non seulement le transformateur-redresseur 6, comportant donc les ponts de diodes P1 à Pn, mais encore la forte inductance série L, ce bloc 8, entouré en pointillés sur la figure 1, étant par ailleurs miniaturisé et, autour d'une ouverture pratiquée dans cette plaque, les différentes plaques étant disposées les unes à côté des autres, le circuit magnétique passant dans leurs ouvertures, des redresseurs étant disposés ou formés sur chaque support et reliés au bobinage correspondant, les sens des bobinages étant alternés d'une plaque à la suivante.

La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée d'un mode de réalisation, pris à titre d'exemple non limitatif et illustré par le dessin annexé sur lequel:
- les figures 1 et 2A à 2d, mentionnées ci-dessus, sont respectivement un schéma électrique d'un convertisseur et des formes de signaux relevées dans ce convertisseur,
- la figure 3 est une vue de dessus de ce transformateurredresseur,
- la figure 4 en est une coupe transversale dans le plan IV-IV de la figure 3
- la figure 5 en est une vue du côté "secondaire", selon la direction V de la figure 3.

- la figure 6 en est une vue du côté "primaire", selon la direction
VI de la figure 3.

- la figure 7 est une vue en perspective d'une des galettes empilables qui équipent le côté "secondaire".

En se référant à l'ensemble des figures 3 à 7, il s'agit de la réalisation de l'ensemble qui est désigné par la référence 8 sur le schéma décrit précédemment en référence à la figure 1.

Cet ensemble comprend le transformateur-redresseur 6, avec son enroulement primaire 7 qui est par exemple unique, ses enroulements secondaires multiples N1 à Nn, et ses ponts de diodes P1 à Pn, et il comprend en outre la self-inductance série L qui est un élément important du montage. Conformément à un aspect de l'invention, la technologie de réalisation de ce transformateur-redresseur est étudiée pour que la selfinductance L soit constituée par l'inductance de fuite, ramenée au primaire, des enroulements de ce transformateur. Ceci est obtenu, comme on le verra ci-après, en éloignant en particulier l'un de l'autre le primaire et le secondaire du transformateur afin de favoriser au maximum les pertes au lieu de chercher à les éviter comme on le fait ordinairement.

On remplace ainsi une self-inductance série qui aurait, si on devait la prévoir comme composant distinct, sensiblement la même taille que le transformateur lui-même, par une inductance de fuite qui n'est pas un composant matérialisé et qui n'occupe en elle-même aucune place. En outre, ce composant distinct devrait nécessairement être, pour avoir une valeur d'inductance suffisamment élevée, une self-inductance à noyau magnétique, de sorte qu'il se produirait alors, pour des courants trop élevés, un classique phénomène de saturation de ce noyau magnétique. Pour ces courants élevés, la valeur de l'inductance de ce composant distinct chuterait alors brusquement, de sorte que le montage ne pourrait alors plus fonctionner. Tel n'est pas le cas avec le transformateur de l'invention puisque l'inductance L est une inductance de fuite, équivalente à une inductance à bobine à air et donc ignorant le phénomène précité de saturation.

En outre, cette technologie est telle qu'elle permet de réaliser cet ensemble 8 sous une forme suffisamment miniaturisée pour qu'il puisse, à l'instar d'autres composants tels que des composants "chips", être monté en surface sur un substrat isolant sérigraphié, c'est-à-dire un substrat céramique, par exemple en Alumine, qui soit à la fois bon conducteur thermique et bon isolant électrique. On verra pour ceci que ce transformateur-redresseur est prévu pour une évacuation optimale des calories, ce qui est à la fois favorable à sa miniaturisation et à sa capacité d'être monté en surface.

Le circuit magnétique de ce transformateur est (Figure 3) un circuit magnétique fermé, qui se compose par exemple de quatre barreaux ou jambes, agencés comme représenté pour former les quatre côtés d'un rectangle:
- une jambe 9 autour de laquelle est bobiné l'enroulement primaire 7 du transformateur.

- une jambe 10, opposée et donc parallèle à la jambe 9, qui reçoit un empilage Il de galettes G1 à G8 qui contiennent chacune un enroulement secondaire N1 à N8 et un pont de diodes P1 à P8 (Figure 1) respectifs, ainsi que leur connectique respective (conducteurs de iiaison, ...),
- deux jambes 12, 13 de fermeture du circuit magnétique qui sont respectivement bordées extérieurement par des plaques respectives métalliques 14, 15 destinées à l'évacuation thermique des calories engendrées dans ces deux jambes 12,13.

II convient de noter que l'ensemble du circuit, y compris le hacheur en pont 1 (Figure 1) et le circuit de régulation de la tension de sortie
Vs (non représenté) sont rapportés sur un substrat en céramique isolante électriquement, mais bonne conductrice de la chaleur. Typiquement, cette céramique, isolante électriquement mais non thermiquement, est de l'alumine. Elle sera désignée plus simplement, dans ce qui va suivre, par le terme "céramique".

Conformément à une des caractéristiques de l'invention,
I'enroulement primaire 7 est en outre rapporté, par exemple par collage, sur une plaque externe 16, en même céramique que le substrat de support précité.

Les deux brins d'extrémité 17, 18 de l'enroulement primaire 7 traversent cette plaque céramique 16 pour aboutir sur sa face extérieure, où ils se raccordent respectivement sur deux parties métallisées 19 et 20 (Figure 6) qui se prolongent chacune sur la tranche 21 de la plaque céramique 16.

Cette tranche 21 est elle-même collée sur le substrat (non représenté), la plaque céramique 16 étant orthogonale audit substrat. On obtient ainsi la connexion à la fois électrique et thermique de l'enroulement primaire 7.

A noter que, à l'instar de cette plaque 16, les plaques métalliques 14 et 15 précitées sont elles aussi positionnées orthogonalement au substrat et de manière que leur tranche 22, 23 soit dans le plan 24 de la surface de ce substrat, ce plan commun 24 constituant donc un plan d'assemblage pour les trois plaques 14,15,16.

Comme on le voit en particulier sur la figure 3, les plaques métalliques 14 et 15 sont orthogonales à la plaque céramique 16, les surfaces d'échange thermique étant ainsi maximales du fait que ces plaques 14,15 sont rapportées sur la plus grand surface de chaque jambe 12, 13.

Avantageusement, ces plaques d'échange 14, 15 sont des plaques de cuivre qui sont collées sur les bords des jambes latérales 12 et 13 du circuit magnétique.

Une des huit galettes, par exemple G8, qui composent l'empilage 8, est représentée sur la figure 7, tandis que la connectique qu'elle contient est bien visible sur la figure 4.

II s'agit d'une galette dont la plaque-support 25, réalisée dans une céramique de même type, préférentiellement identique, que celle constitutive de la plaque 16 et du substrat, et qui comprend essentiellement un mandrin de bobinage 26, de section rectangulaire, qui vient enserrer étroitement la jambe 10 du circuit magnétique, et une extension latérale extérieure 27 (voir la figure 3).

Autour du mandrin 26 (ou "caniveau" en terme de métier) est bobiné un des enroulements secondaires NI à N8 par exemple N8. Les deux brins d'extrémité 28, 29 (Figure 4) de cet enroulement secondaire N8 traversent la carcasse 25 par des trous 30 et sont soudés, sur la face de l'extension 27 qui est opposée à cet enroulement N8, sur des éléments métallisés 31 qui font partie de la connectique, rapportée entièrement sur cette face 27, relative au pont de diodes P8 associé à cet enroulement secondaire N8 et donc entièrement rapporté sur cette face 27.

A noter que la plaque céramique 25 est, à l'instar de la plaque céramique 16 précitée, métallisée sur sa tranche 32 par laquelle elle est montée debout sur le substrat précité. En fait, les plans des huit plaques 25 des éléments empilables G1 à G8 sont tous parallèles entre eux et parallèles aux deux plaques de cuivre 14 et 15. Leurs tranches métallisées 32 sont toutes situées dans le plan 24 précité, qui est aussi le plan de la surface du substrat de support et de liaison électrique de l'ensemble du convertisseur de tension.

La connectique d'ensemble est telle que les ponts de diodes P1 à P8 soient connectés en série selon le schéma de la figure 1.

Le fait que les enroulements primaire 7 et secondaires N1-N8 sont respectivement bobinés autour des jambes 9 et 10, physiquement assez éloignées l'une de l'autre, engendre pour ce transformateur une selfinductance de fuite très importante, de quelques dizaines de microhenrys, par exemple d'environ 401JH, cette self de fuite étant, du point de vue électrique, branchée en série avec l'enroulement primaire 7, à l'instar de la self-inductance L de la figure 1 qu'elle remplace finalement de manière très avantageuse, comme expliqué précédemment. La valeur souhaitée pour cette inductance L est ajustée en calculant en conséquence les nombres de spires adéquats au primaire et au secondaire du transformateur, tout en respectant bien entendu les rapports de transformation souhaités.

En parallèle sur la sortie Vs est prévu, de manière connue en soi, un dispositif de régulation de tension qui convertit en tension constante le signal de courant fourni par le bloc 8, ce dernier étant lui-même un transformateur de courant et non pas un transformateur de tension.

L'intégration des ponts de diodes PI à P8 dans le bloc 8, comportant en outre le transformateur et la self-inductance série L, évite les risques de claquage au secondaire, et est un des éléments de l'invention.

Les dispositions conformes à l'invention ont en outre l'avantage de permettre une miniaturisation du bloc 8, cette miniaturisation étant suffisante pour favoriser son montage en surface dans des conditions largement acceptables, ce qui n'était pas le cas avec les dispositifs de l'art antérieur essayés jusqu'à ce jour.

Le tension d'entrée continue VE est typiquement de l'ordre de 300 volts ou de 600 volts, selon la valeur de la tension du secteur alternatif qui l'engendre.

Comme il va de soi, I'invention n'est pas limitée à l'exemple de réalisation qui vient d'être décrit.

C'est ainsi par exemple que d'autres matériaux céramique, isolants électriquement mais bons conducteurs thermiques, tels que l'alumine précitée peuvent être utilisés pour l'un etlou l'autre des supports et du substrat céramique précités.

C'est ainsi également que les plaques thermiques 14 et 15 peuvent être en un métal autre que le cuivre, et que chacune des jambes de fermeture 12, 13 pourrait être bordée par plusieurs plaques, et donc sur plusieurs faces, par exemple trois faces, au lieu de n'être bordées chacune que sur une seule face.

Claims (8)

REVENDICATIONS

1. Transformateur-redresseur T. H.T. comportant un circuit magnétique (9-10-12-13) sur une partie de la longueur duquel est disposé un enroulement primaire (7), et sur une autre partie de la longueur duquel est disposé au moins un enroulement secondaire (N1 à N8), caractérisé en ce que chaque enroulement secondaire est disposé sur sa propre plaque de support (25), autour d'une ouverture (10) pratiquée dans cette plaque, les différentes plaques étant disposées les unes à côté des autres, le circuit magnétique passant dans leurs ouvertures, des redresseurs (P1 à P8) étant disposés ou formés sur chaque support et reliés au bobinage correspondant, les sens des bobinages étant alternés d'une plaque à la suivante.

2. Transformateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les plaques de support des enroulements sont réalisées en matériau isolant électriquement et bon conducteur thermique.

3. Transformateur selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'on forme ou fixe sur chaque plaque un mandrin (26), ou "caniveau", qui entoure la jambe correspondante (10) du circuit magnétique et autour duquel est bobiné l'enroulement secondaire associé (N), et que chaque plaque comporte une partie latérale (27) s'étendant vers l'extérieur qui reçoit le circuit redresseur (P) associé à cet enroulement secondaire ainsi que sa connectique (31).

4. Transformateur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les plaques assemblées forment un empilement (11) de galettes (G) qui sont rapportées, par leur tranche (32) métallisée sur un substrat récepteur (24).

5. Transformateur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'enroulement primaire, qui est disposé sur une jambe distincte (9) du circuit magnétique, est rapporté sur une plaque d'interface (16) en matériau isolant électriquement et bon conducteur thermique, cette plaque d'interface (16) comportant deux électrodes métallisées (20, 22) de connexion électrique des deux extrémités (18, 17) de l'enroulement et étant elle-même rapportée par la tranche (21), elle-aussi métallisée selon la connectique, sur ledit substrat récepteur (24).

6. Transformateur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'enroulement primaire (7) d'une part, et l'ensemble des enroulements secondaires (N1-N8) d'autre part, sont respectivement bobinés autour de deux jambes (9,10) opposées dudit circuit magnétique.

7. Transformateur-redresseur selon la revendication 6, caractérisé en ce que ces deux jambes opposées (9, 10) sont des jambes parallèles.

8. Transformateur-redresseur selon la revendication 6, caractérisé en ce que ces deux jambes opposées (9;, 10) sont reliées par deux jambes de retour (12, 13) qui sont bordées chacune par au moins une plaque métailique d'échange thermique (14, 15), la tranche (22, 23) de chacune de ces plaques étant contenue dans le plan (24) formé à la fois par la surface du substrat, les tranches d'appui métallisées respectives desdites galettes secondaires (G1-G8), et ladite plaque d'interface (16) de l'enroulement primaire (7).