FR3048118A1 - Composant magnetique, circuit electrique resonant, convertisseur electrique et systeme electrique - Google Patents

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Abstract

Le composant magnétique comporte : un noyau magnétique (118) comportant une première branche (120), une deuxième branche (122) et une troisième branche (124) se rejoignant en leurs deux extrémités et présentant des réluctances respectives ; une première bobine (130) et une deuxième bobine (132) enroulées autour de la première branche (120) pour être couplées l'une à l'autre. La réluctance de la deuxième branche (122) est inférieure à la fois à celle de la première branche (120) et celle de la troisième branche (124), et le composant magnétique comporte en outre une troisième bobine (134) enroulée autour de la troisième branche (124) et connectée en série avec la deuxième bobine (132).

Description

TITRE
COMPOSANT MAGNÉTIQUE, CIRCUIT ELECTRIQUE RESONANT, CONVERTISSEUR ELECTRIQUE ET SYSTEME ELECTRIQUE
DOMAINE TECHNIQUE
La présente invention concerne les circuits électriques résonants, en particulier employés dans les convertisseurs électriques.
ARRIÈRE-PLAN TECHNOLOGIQUE L’article « Design guideline for magnetic intégration in LLC résonant converters » de De Simone et al., publié en 2008 dans le cadre de la conférence : « Power Electronics, Electrical Drives, Automation and Motion, 2008. SPEEDAM 2008 » décrit un composant magnétique comportant : - un noyau magnétique comportant une première branche (120), une deuxième branche et une troisième branche se rejoignant en leurs deux extrémités et présentant des réluctances respectives, - une première bobine et une deuxième bobine enroulées autour de la première branche pour être couplées l’une à l’autre.
Dans cet article, il est proposé de former un circuit électrique résonant de type LLC ajoutant une capacité en série des inductances et en réduisant volontairement le couplage entre les deux bobines de manière à créer une inductance série Lr, en plus d’une inductance magnétisante Lm. Ce couplage imparfait est obtenu en écartant les bobines l’une de l’autre. Ainsi, l’encombrement du circuit électrique résonant peut être réduit.
Cependant, il est difficile d’atteindre des grandes valeurs d’inductance série Lr sans augmenter la taille du noyau magnétique, et sans entraîner l’apparition de pertes par courant de Foucault. En outre, comme la valeur de l’inductance série Lr dépend de la position des bobines, il est difficile de la fixer précisément et de manière fiable, c’est-à-dire reproductible. L’invention a pour but de proposer un circuit électrique résonant permettant de résoudre au moins en partie ces problèmes.
RÉSUMÉ DE L’INVENTION À cet effet, il est proposé un composant comportant : - un noyau magnétique comportant une première branche, une deuxième branche et une troisième branche se rejoignant en leurs deux extrémités et présentant des réluctances respectives, - une première bobine et une deuxième bobine enroulées autour de la première branche pour être couplées l’une à l’autre, caractérisé en ce que la réluctance de la deuxième branche est inférieure à la fois à celle de la première branche et celle de la troisième branche, et en ce qu’il comporte en outre une troisième bobine enroulée autour de la troisième branche et connectée en série avec la deuxième bobine.
De façon optionnelle, la deuxième branche est moins longue que chacune des première et troisième branches.
De façon optionnelle également, la première branche présente un entrefer.
De façon optionnelle également, la troisième branche présente un entrefer.
De façon optionnelle également, la première branche et la troisième branche sont dépourvues d’entrefer.
De façon optionnelle également, la première branche et la troisième branche sont réalisées avec un matériau présentant une perméabilité relative maximale inférieure à 100, tandis que la deuxième branche est réalisée avec un matériau présentant une perméabilité relative maximale supérieure à 100, de préférence supérieure à 1 000.
De façon optionnelle également, les première et deuxième bobines présentent des inductances propres respectives Ll, L2 et sont couplées l’une à l’autre de manière à présenter une inductance mutuelle M non nulle, liée aux inductances propres Ll, L2 par un coefficient de couplage k :
le coefficient de couplage k étant supérieur ou égale à 0,9, de préférence supérieur ou égal à 0,95, de préférence encore supérieur ou égal à 0,99.
De façon optionnelle également, l’une parmi la première bobine et la deuxième bobine est enroulée autour de l’autre.
Il est également proposé un circuit électrique résonant comportant : - un composant magnétique selon l’invention, - une capacité connectée en série avec la deuxième bobine et la troisième bobine.
Il est également proposé un convertisseur électrique comportant : - un générateur de tension conçu pour fournir une tension variable à partir d’une tension continue, - un circuit électrique résonant selon l’invention, pour fournir un courant alternatif à partir de la tension variable, - un redresseur conçu pour fournir une tension continue à une charge électrique à partir du courant alternatif.
De façon optionnelle, le redresseur comporte : - une capacité de lissage destinée à être connectée en parallèle de la charge électrique, - un pont de diodes connecté en entrée aux extrémités de la première bobine et en sortie aux bornes de la capacité de lissage.
De façon optionnelle également, le redresseur comporte : - une capacité de lissage destinée à être connectée en parallèle de la charge électrique, une borne de la capacité de lissage étant connectée en un point milieu de la première bobine, - deux diodes au travers desquelles l’autre borne de la capacité de lissage est connectées respectivement aux deux extrémités de la première bobine.
Il est également proposé un système électrique comportant une source de tension telle qu’une batterie de véhicule automobile, une charge électrique telle que des accessoires électrique de véhicule automobile et un convertisseur électrique selon l’invention, entre la source de tension et la charge électrique.
DESCRIPTION DES FIGURES
La figure 1 est un schéma électrique d’un système électrique comportant un convertisseur électrique selon l’invention.
La figure 2 est un schéma électrique équivalent d’un circuit électrique résonant du convertisseur électrique de la figure 1.
La figure 3 est une vue en coupe d’un noyau magnétique et de bobines enroulées autour de ce noyau magnétique, faisant partie du circuit électrique résonant des figures 1 et 2.
La figure 4 est un chronogramme de flux magnétiques parcourant le noyau magnétique de la figure 3.
La figure 5 est une vue en coupe d’une variante de noyau magnétique selon l’invention.
La figure 6 est un schéma électrique d’une variante de circuit résonant électrique selon l’invention.
La figure 7 est une de côté d’une variante de noyau magnétique et de bobines enroulées autour de ce noyau magnétique.
DESCRIPTION DÉTAILLÉE
En référence à la figure 1, un système électrique 100 comportant un convertisseur électrique 102 mettant en œuvre l’invention va à présent être décrit. Un tel système électrique 100 peut par exemple être utilisé dans un véhicule automobile.
Le système électrique 100 comporte tout d’abord une source de tension 104 conçue pour fournir une tension d’entrée Ye qui est continue. La source de tension 104 comporte par exemple une batterie de véhicule automobile.
Le système électrique 100 comporte en outre une charge électrique 106, telle que des accessoires électriques de véhicule automobile.
Le convertisseur électrique 102 est conçu pour recevoir la tension d’entrée Ve et pour fournir à la charge électrique 106 une tension de sortie Vs.
Dans l’exemple décrit, le convertisseur électrique 102 est de type continu-continu, de sorte que la tension de sortie Vs est continue. Plus précisément, dans l’exemple décrit, le convertisseur électrique 102 est un convertisseur à résonance LLC (de l’anglais «L^LC résonant converter »).
Le convertisseur électrique 102 comporte un générateur de tension 108 conçu pour fournir une tension variable V, à une fréquence souhaitée, à partir de la tension d’entrée Ve.
De préférence, la tension variable Y est une tension directe (c’est-à-dire ne changeant pas de signe). Dans l’exemple décrit, la tension variable Y est une tension carrée. À cet effet, le générateur de tension 108 comporte deux interrupteurs 110, 112 et un dispositif de commande 114 des interrupteurs 110, 112, de sorte que la tension variable prend alternativement la valeur de la tension d’entrée Ve et la valeur nulle.
Le convertisseur électrique 102 comporte en outre un circuit électrique résonant 116 conçu pour fournir, à partir de la tension variable, un courant alternatif ia à la même fréquence que la tension variable V.
Le circuit électrique résonant 116 comporte tout d’abord un noyau magnétique 118.
Dans l’exemple de la figure 1, le noyau magnétique est par exemple réalisé en matériau ferrite.
Le noyau magnétique 118 comporte trois branches 120, 122, 124 se rejoignant en leurs deux extrémités, c’est-à-dire qu’elles présentent des premières extrémités respectives se rejoignant, ainsi que des deuxièmes extrémités respectives se rejoignant.
Dans l’exemple décrit, les branches 120, 124 sont en forme de C, tandis que la branche 122 est en forme de I et s’étend entre les deux autres.
Les branches 120, 122, 124 présentent des réluctances respectives telles que la réluctance de la branche 122 soit inférieure, de préférence au moins dix fois, de préférence encore cent fois, à la fois à la réluctance de la branche 120 et à la réluctance de la branche 124.
Dans l’exemple décrit, les branches 120, 124 présentent respectivement des entrefers 126, 128 (« air-gap » en anglais). Chacun des entrefers 126, 128 peut être laissé rempli d’air, ou bien il peut être rempli d’un matériau de faible perméabilité (perméabilité relative maximale inférieure à 100).
En particulier, l’entrefer 126 présente une longueur el choisie pour obtenir l’inductance série Lr, par exemple à l’aide de la formule suivante :
où N représente le nombre de tours de la bobine 134, μ0 représente la perméabilité du vide et Sel représente la section efficace de la branche 124.
En outre, l’entrefer 128 présente une longueur e2 choisie pour obtenir l’inductance magnétisante Lm, par exemple à l’aide de la formule suivante :
où NI représente le nombre de tours de la bobine 132, μΟ représente la perméabilité du vide et Se2 représente la section efficace de la branche 120.
Le circuit électrique résonant 116 comporte en outre une première bobine 130 et une deuxième bobine 132 enroulées autour de la première branche. Les bobines 130, 132 présentent des inductances propres respectives Ll, L2 et sont couplées l’une à l’autre de manière à présenter une inductance mutuelle M non nulle, liée aux inductances propres Ll, L2 par un coefficient de couplage k :
De préférence, les bobines 130, 132 sont fortement couplée l’une à l’autre, ce qui se traduit par un coefficient de couplage k supérieur ou égale à 0,9, de préférence supérieur ou égal à 0,95, de préférence encore supérieur ou égal à 0,99.
Le circuit électrique résonant 116 comporte en outre une troisième bobine 134 enroulée autour de la branche 124.
Le circuit électrique résonant 116 comporte en outre une capacité 136 connectée en série avec les bobines 132, 134.
Comme les bobines 132, 134 sont en série, il est possible de les réaliser avec un seul fil, ce qui permet d’éviter les pertes d’extrémité de fil.
Le convertisseur électrique 102 comporte en outre un redresseur 138 conçu pour fournir la tension de sortie Vs à partir du courant alternatif ia.
Dans l’exemple décrit, le redresseur 138 comporte un pont de diodes 140, ainsi qu’une capacité de lissage 142. Le pont de diodes 140 est connecté en entrée aux deux extrémités de la bobine 130, et en sortie aux bornes de la capacité de lissage 142 et de charge électrique 106.
En référence à la figure 2, le circuit électrique résonant 116 est représenté avec un schéma électrique équivalent au noyau magnétique 118 et aux bobines 130, 132, 134.
Les bobines 130, 132 forment un transformateur idéal T et une inductance magnétisante Lm au primaire du transformateur idéal T. La valeur de l’inductance magnétisante Lm est définie notamment par la largeur de l’entrefer 128. La troisième bobine 134 forme une inductance série Lr. La valeur de l’inductance série Lr est définie notamment par la largeur de l’entrefer 130.
En référence à la figure 3, un exemple d’enroulement des bobines 130, 132, 134 est représenté.
En particulier, la bobine 130 est enroulée autour de la bobine 132, ce qui améliore le couplage entre elles.
La bobine 134 est destinée à générer un flux magnétique 302 dans la branche 120, tandis que la bobine 134 est destinée à générer un flux magnétique 304 dans la branche 124.
Comme la branche 122 présente une réluctance faible, les flux magnétiques 302, 304 rebouclent par cette branche 122. De cette manière, la bobine 134 est isolée magnétiquement des bobines 130, 132, de sorte que le transformateur formé par les bobines 130, 132 et l’inductance série Lr formée par la bobine 134 fonctionnent indépendamment l’un de l’autre.
Le sens d’enroulement des bobines 132, 134 est choisi de sorte que les flux magnétiques 302, 304 parcourent la branche 122 dans des directions opposées. Ainsi, le flux magnétique résultant 306 dans la branche 122 reste faible.
Les bobines 130, 132, 134 sont de préférence réalisées avec du fil de Litz, ce qui permet de réduire les pertes par courant de Foucault. Néanmoins, d’autres types de conducteur pourraient être utilisés, comme par exemple des conducteurs ronds ou bien des plaques de cuivre.
En référence à la figure 4, un exemple d’évolution au cours du temps des flux magnétiques 302, 304, 306 est représenté. Il sera en particulier apprécié que le flux magnétique résultant 306 est plus faible que les deux autres flux magnétiques 302, 304. Ainsi, les pertes dans la branche 122 sont réduites et le risque d’apparition d’un point chaud est également réduit. En outre, la section transversale de la branche 122 est réduite ce qui permet d’améliorer la compacité du circuit électrique résonant 116. En outre, comme le transformateur formé par les bobines 130, 132 et la bobine 134 partagent le même noyau magnétique et en particulier la branche 122, moins de noyau magnétique est utilisé.
Le fonctionnement du système électrique 100 va à présent être décrit.
Le générateur de tension 108 génère la tension variable V carrée, par découpage de la tension d’entrée Ye à une fréquence souhaitée.
La tension variable V est appliquée aux bornes de la capacité 136, et des bobines 132, 134 qui sont donc excitées à la fréquence de la tension variable Y. En réponse à cette excitation, le courant alternatif ia apparaît dans la bobine 130.
Le redresseur 140 redresse le courant alternatif ia et fournit le courant redressé à la charge électrique 106 et à la capacité de lissage 142, cette dernière lissant la tension de sortie Vs pour qu’elle soit continue.
Ainsi, il est possible d’obtenir, de manière sélective, une tension de sortie Vs plus petite ou bien plus élevée que la tension d’entrée Ve.
En référence à la figure 5, une variante de réalisation du noyau magnétique 118 va à présent être décrite.
Dans cette variante, le noyau magnétique 118 ne présente plus d’entrefer, mais les branches 120, 124 sont réalisées dans un matériau de faible perméabilité (perméabilité relative maximale inférieure à 100) tel que que des métaux en poudre (de l’anglais «powdered métal»), tandis que la deuxième branche 122 est réalisée dans un matériau de forte perméabilité (perméabilité relative maximale supérieure à 100, de préférence supérieure à 1 000).
En référence à la figure 6, une variante de réalisation du circuit électrique résonant 116 et du redresseur 138 va à présente être décrite.
Dans cette variante, le redresseur 138 est connecté en prise médiane (de l’anglais « center-tap ») à la bobine 130. Plus précisément, une borne de la capacité de lissage 142 et de la charge électrique 106 est connectée en un point milieu de la bobine 130, tandis que l’autre borne de la capacité de lissage 142 et de la charge électrique 106 est connectée aux deux extrémités de la bobine 130 au travers respectivement de deux diodes 602, 604 laissant passer le courant en provenance de la bobine 130. D’après la description précédente, il apparaît que l’invention permet de réaliser les inductances magnétisante Lm et série Lr de manière précise, et avec une fiabilité compatible avec les exigences d’une production industrielle.
Dans l’exemple de réalisation représenté sur la figure 7, les branches 120, 122 sont en forme de C, tandis que la branche 124 est en forme de I et s’étend entre les deux autres. La branche 124 présente une longueur plus petite que les deux autres.
La présente invention n’est pas limitée aux modes de réalisation décrits précédemment, mais est au contraire définie par les revendications qui suivent. Il sera en effet apparent à l’homme du métier que des modifications peuvent y être apportées.
Par ailleurs, les termes utilisés dans les revendications ne doivent pas être compris comme limités aux éléments des modes de réalisation décrits précédemment, mais doivent au contraire être compris comme couvrant tous les éléments équivalents que l’homme du métier peut déduire à partir de ses connaissances générales.

Claims (13)

  1. REVENDICATIONS
    1. Composant magnétique comportant : - un noyau magnétique (118) comportant une première branche (120), une deuxième branche (122) et une troisième branche (124) se rejoignant en leurs deux extrémités et présentant des réluctances respectives, - une première bobine (130) et une deuxième bobine (132) enroulées autour de la première branche (120) pour être couplées l’une à l’autre, caractérisé en ce que la réluctance de la deuxième branche (122) est inférieure à la fois à celle de la première branche (120) et celle de la troisième branche (124), et en ce qu’il comporte en outre une troisième bobine (134) enroulée autour de la troisième branche (124) et connectée en série avec la deuxième bobine (132).
  2. 2. Composant magnétique selon la revendication 1, dans lequel la deuxième branche (122) est moins longue que chacune des première et troisième branches (120, 124).
  3. 3. Composant magnétique selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la première branche (120) présente un entrefer (128).
  4. 4. Composant magnétique selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel la troisième branche (124) présente un entrefer (130).
  5. 5. Composant magnétique selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la première branche (120) et la troisième branche (124) sont dépourvues d’entrefer.
  6. 6. Composant magnétique selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel la première branche (120) et la troisième branche (124) sont réalisées avec un matériau présentant une perméabilité relative maximale inférieure à 100, tandis que la deuxième branche (122) est réalisée avec un matériau présentant une perméabilité relative maximale supérieure à 100, de préférence supérieure à 1 000.
  7. 7. Composant magnétique selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel les première et deuxième bobines (130, 132) présentent des inductances propres respectives Ll, L2 et sont couplées l’une à l’autre de manière à présenter une inductance mutuelle M non nulle, liée aux inductances propres Ll, L2 par un coefficient de couplage k :
    le coefficient de couplage k étant supérieur ou égale à 0,9, de préférence supérieur ou égal à 0,95, de préférence encore supérieur ou égal à 0,99.
  8. 8. Composant magnétique selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel l’une parmi la première bobine (130) et la deuxième bobine (132) est enroulée autour de l’autre.
  9. 9. Circuit électrique résonant (116) comportant : - un composant magnétique selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, - une capacité (136) connectée en série avec la deuxième bobine (132) et la troisième bobine (134).
  10. 10. Convertisseur électrique (102) comportant : - un générateur de tension (108) conçu pour fournir une tension variable (V) à partir d’une tension continue (Ve), - un circuit électrique résonant (116) selon la revendication 9, pour fournir un courant alternatif (ia) à partir de la tension variable (V), - un redresseur (138) conçu pour fournir une tension continue (Vs) à une charge électrique (106) à partir du courant alternatif (ia).
  11. 11. Convertisseur électrique (102) selon la revendication 10, dans lequel le redresseur (138) comporte : - une capacité de lissage (142) destinée à être connectée en parallèle de la charge électrique (106), - un pont de diodes (140) connecté en entrée aux extrémités de la première bobine (130) et en sortie aux bornes de la capacité de lissage (142).
  12. 12. Convertisseur électrique (102) selon la revendication 10, dans lequel le redresseur (138) comporte : - une capacité de lissage (142) destinée à être connectée en parallèle de la charge électrique (106), une borne de la capacité de lissage (142) étant connectée en un point milieu de la première bobine (130), - deux diodes (602, 604) au travers desquelles l’autre borne de la capacité de lissage (142) est connectée respectivement aux deux extrémités de la première bobine (130).
  13. 13. Système électrique (100) comportant une source de tension (104) telle qu’une batterie de véhicule automobile, une charge électrique (106) telle que des accessoires électrique de véhicule automobile et un convertisseur électrique (102) selon l’une quelconque des revendications 10 à 12, entre la source de tension (104) et la charge électrique (106).
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