FR3078816A1 - Dispositif d’electronique de puissance comportant un transformateur plan et une structure de refroidissement - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un dispositif d'électronique de puissance comportant une base (BA) en aluminium apte à refroidir un transformateur plan comportant : - une structure en ferrite (SF) formant deux logements traversants (LF1, LF2) - deux bobines (SP1, SP2) de spires entrelacées formées de feuilles de cuivre passant dans les logements (LF1, LF2) de sorte à entourer la partie médiane (PM) de la structure en ferrite (SF), les parties planes des feuilles de cuivre étant disposées parallèlement aux parois internes de la partie médiane (PM), la base (BA) en aluminium comportant une surface en contact thermique avec une paroi externe de la structure (SF) et avec les arêtes des feuilles de cuivre dépassant des logements (LF1, LF2) du côté de ladite paroi.
Description
Dispositif d’électronique de puissance comportant un transformateur plan et une structure de refroidissement
La présente invention se rapporte de manière générale au domaine de l’électrotechnique et concerne plus précisément un dispositif d’électronique de puissance notamment pour véhicule électrique ou hybride.
Les chargeurs de véhicule électrique ou hybride comportent généralement deux étages de conversion, un premier étage redresseur correcteur de puissance, et un deuxième étage de conversion courant continu - courant continu, destiné à adapter la tension redressée par le premier étage à la tension batterie. Ce deuxième étage de conversion comporte avantageusement un transformateur d’isolation galvanique dont l’une des fonctions est d’assurer la sécurité électrique des utilisateurs lors de la charge de la batterie de traction d’un tel véhicule. Or cet élément de puissance est volumineux du fait de sa géométrie et de son système de refroidissement. On cherche à réduire l’encombrement de tels éléments de puissance dans les véhicules électriques ou hybrides, et donc à augmenter leur densité de puissance, notamment pour augmenter le volume disponible pour d’autres éléments tels que la batterie de traction, afin de gagner en autonomie.
De manière générale, les transformateurs dissipent de la puissance dans leur matériau magnétique, cette puissance dissipée étant appelée pertes fer, et dissipent également de la puissance dans leurs bobinages, cette autre puissance dissipée étant appelée pertes cuivre. Ces pertes sont la cause d’un échauffement important qui nécessite donc un refroidissement efficace à la fois du matériau magnétique et des bobinages.
Le document US6144276 propose une structure de transformateur plan permettant un refroidissement facilité des feuilles de cuivre composant son bobinage, en utilisant l’air ambiant. Cette géométrie de transformateur plan utilisant des conducteurs plats horizontaux par rapport à la base du matériau magnétique, permet une importante surface d’échange pour le refroidissement comparé à celle des transformateurs en E. Cependant, ces transformateurs plans ne permettent pas un refroidissement homogène des bobinages.
En effet, le bobinage de ces transformateurs plans est soit intégré dans un PCB (PolyChloroBiphényle) ce qui lui confère une faible conductivité thermique et empêche ses spires intérieures d’être facilement atteignables pour leur refroidissement, soit composé d’une pile de feuilles de cuivre isolées entre elles par une épaisseur d’isolation. Dans le premier cas, des via thermiques évitant les points chauds à l’intérieur des bobinages sont nécessaires, comme décrit par exemple dans le document W0200440599. Dans le dernier cas, une plaque de refroidissement supportant le transformateur plan permet de dissiper efficacement l’énergie thermique de la feuille disposée au bas de la pile, mais la feuille du haut de la pile est moins bien refroidie.
Un des buts de l'invention est de remédier à au moins une partie des inconvénients de la technique antérieure en fournissant un dispositif d’électronique de puissance comportant un transformateur et qui permette un refroidissement efficace de celui-ci, tout en présentant un faible encombrement.
A cette fin, l'invention propose un dispositif d’électronique de puissance comportant un transformateur plan et une base en aluminium apte à refroidir ledit transformateur plan, ledit transformateur plan comportant :
une structure en ferrite formant deux logements traversants, deux bobines de spires entrelacées formées de feuilles de cuivre passant dans lesdits logements de sorte à entourer la partie médiane de ladite structure en ferrite séparant lesdits deux logements traversants, les parties planes desdites feuilles de cuivre étant disposées parallèlement aux parois internes, à ladite structure, de ladite partie médiane, caractérisé en ce que ladite base en aluminium comporte une surface en contact thermique avec une paroi externe de ladite structure et avec les arêtes des feuilles de cuivre dépassant desdits logements du côté de ladite paroi externe.
Grâce à l’invention, le refroidissement du transformateur plan s’effectue efficacement sur une seule face de la plaque de refroidissement, le contact thermique de celle-ci avec l’ensemble des arêtes des feuilles de cuivre permettant une dissipation uniforme de l’échauffement des bobinages. Ceci est rendu possible grâce à la géométrie particulière de ce transformateur plan, dans lequel les feuilles de cuivre sont disposées verticalement par rapport à la base du matériau magnétique qui est ici la structure en ferrite. Une telle géométrie de transformateur est en effet utilisable avec une haute densité de puissance comme décrit dans l’article « Design of a transformer for high power density charger - Electric vehicles application » de E. Taurou et al., publié en 2017 à l’occasion de la 19ème conférence européenne sur l’électronique de puissance et ses applications.
Selon une caractéristique avantageuse du dispositif selon l’invention, ladite surface de ladite base en aluminium forme un logement apte à recevoir ladite structure en ferrite sur ladite paroi externe, orthogonale auxdites parties planes des feuilles de cuivre, et forme deux portions planes latérales audit logement et en contact thermique avec chacune des arêtes des feuilles de cuivre formant lesdites bobines, situées du côté de ladite base en aluminium.
Cette configuration de la base en aluminium permet de refroidir également les parois latérales du matériau magnétique tout en permettant un agencement simple et peu coûteux du dispositif.
Selon une autre caractéristique avantageuse de l’invention, le dispositif comporte sur la face de ladite base en aluminium opposée à ladite surface en contact thermique avec ladite structure et lesdites bobines, des ailettes de refroidissement ou une canalisation destinée à recevoir un fluide de refroidissement.
Selon encore une autre caractéristique avantageuse de l’invention, lesdites feuilles de cuivre sont chacune enveloppées d’une couche d’isolation électrique, l’épaisseur de ladite couche d’isolation électrique étant plus faible sur lesdites arêtes en contact thermique avec ladite base en aluminium, que sur les surfaces planes desdites feuilles.
Cette caractéristique permet d’améliorer encore la conduction thermique entre les spires des bobines et la base en aluminium. Préférentiellement, ladite couche d’isolation électrique est deux fois moins épaisse sur lesdites arêtes en contact thermique avec ladite base en aluminium, que sur les surfaces planes desdites feuilles. Ainsi on optimise la conductivité thermique entre les bobines et la base en aluminium tout en préservant l’isolation électrique entre les bobines et la base en aluminium, qui est maintenue au strict minimum.
Alternativement, le matériau d’isolant électrique du dispositif selon l’invention protège lesdites feuilles desdites bobines entre elles, ledit matériau isolant recouvrant les parties planes de chaque feuille et les arêtes de chaque feuille sur au moins un de leurs côtés, une des bobines n’étant pas protégée par ledit matériau isolant sur les arêtes de ses feuilles en contact thermique avec ladite base en aluminium, un autre matériau isolant électrique et conducteur thermique étant interfacé entre ladite base en aluminium et lesdites arêtes en contact thermique avec ladite base en aluminium. Cette alternative de réalisation permet d’améliorer encore la conductivité thermique entre une des bobines et la base en aluminium, au prix d’une moins bonne conductivité thermique entre l’autre bobine et la base en aluminium, mais compensée par la conductivité thermique entre les bobines, puisque l’une d’entre elle, très bien refroidie et intercalée dans l’autre, pourra absorber une partie de la chaleur de l’autre. Cette alternative a notamment pour avantage d’être réalisée plus facilement, l’épaisseur de l’isolant électrique n’étant pas modifiée sur les surfaces qu’il recouvre.
Selon une caractéristique avantageuse du dispositif selon l'invention, les arêtes desdites feuilles en contact thermique avec ladite base en aluminium baignent dans une couche de pâte thermique. Cette pâte thermique favorise la conductivité thermique entre la base en aluminium et les arêtes des feuilles, notamment en comblant les espaces pouvant rester libres entre ces éléments, c’est-à-dire qu’elle évite la présence de bulles d’air entre ces éléments. Elle permet également de refroidir efficacement les extrémités latérales des feuilles de cuivre.
L'invention concerne aussi un chargeur pour véhicule électrique ou hybride comportant un dispositif d’électronique de puissance selon l’invention, dimensionné pour une utilisation à une fréquence de l’ordre de 500kHz. Les inventeurs ont en effet constaté qu’un tel dispositif d’électronique de puissance présente des avantages pour une telle utilisation, notamment un encombrement minimum pour une densité de puissance élevée et une réduction des pertes électriques efficace à une telle fréquence.
D'autres caractéristiques et avantages apparaîtront à la lecture d’un mode de réalisation préféré décrit en référence aux figures dans lesquelles :
- la figure 1 représente une vue de dessus d’un dispositif d’électronique de puissance selon l’invention, dans ce mode de réalisation préféré,
- la figure 2 représente une vue en coupe selon un axe l-l de ce dispositif d’électronique de puissance selon une variante principale de réalisation,
- la figure 3 représente une vue en coupe selon un axe ll-ll de ce dispositif d’électronique de puissance selon une autre variante de réalisation de l’invention,
- la figure 4 représente plus en détail une partie du dispositif d’électronique de puissance dans ce mode préféré de réalisation selon l’invention, vu en coupe selon l’axe l-l selon la variante principale de réalisation,
- et la figure 5 représente plus en détail une partie du dispositif d’électronique de puissance dans ce mode préféré de réalisation selon l’invention, vu en coupe selon l’axe l-l selon l’autre variante de réalisation.
Selon un mode de réalisation préféré de l'invention représenté à la figure 1, le dispositif DEP d’électronique de puissance selon l’invention comporte un transformateur plan disposé sur une plaque ou base en aluminium BA, permettant son refroidissement. Il est utilisé dans un convertisseur courant continu-courant continu isolé d’un chargeur de véhicule électrique fonctionnant à 500kHz environ.
Le transformateur plan comporte une structure SF en matériau magnétique, notamment en ferrite, formant deux logements traversants LF1 et LF2 visibles sur la figure 2. Le transformateur plan comporte deux bobines SP1 et SP2 de spires entrelacées, bobinées autour d’une partie médiane PM de la structure en ferrite SF, en passant par les logements traversants LF1 et LF2.
Dans ce mode préféré de réalisation de l’invention, le rapport de transformation du transformateur plan est unitaire, les bobines SP1 et SP2 ont donc le même nombre de spires. Les spires sont formées de feuilles de cuivre. Chaque bobine SP1 et SP2 est formée de préférence d’un seul tenant dans un ruban de cuivre. Les deux rubans correspondants sont superposés et enroulés autour de la partie médiane PM, de sorte à ce que leurs parties planes restent parallèles aux parois internes de la partie médiane PM, formant une pile de feuilles de cuivre correspondant chacune à une spire de bobine SP1 ou SP2.
Les bobines SP1 et SP2 comportent un matériau isolant électrique ISO pour isoler électriquement les spires des bobines SP1 et SP2 entre elles. Ce matériau isolant est par exemple un ruban adhésif en Teflon® de 100pm (micromètres) d’épaisseur, collé au moins sur les surfaces planes des feuilles de cuivre formant les spires.
La structure en ferrite est disposée dans un logement LA parallélépipédique de la plaque d’aluminium BA, représenté sur la figure 3. Les parties des bobines SP1 et SP2 qui ressortent de la structure en ferrite sont disposées sur des portions planes PP1 et PP2 dominant latéralement le logement LA.
Les feuilles de cuivre formant les bobines SP1 et SP2 étant disposées verticalement par rapport à la plaque d’aluminium, leurs arêtes inférieures sont en contact thermique avec la plaque d’aluminium sur la surface supérieure SA de celle-ci. La plaque d’aluminium BA favorise le refroidissement de la structure en ferrite et des spires SP1 et SP2, étant elle-même refroidie grâce à des ailettes AR de refroidissement disposées sous la plaque d’aluminium BA. En variante la face opposée à la surface SA de la plaque en aluminium est mise au contact d’un liquide de refroidissement grâce à un ou plusieurs canaux de circulation de ce liquide disposés au contact de cette face opposée.
Selon une variante principale de réalisation de l’invention représentée sur la figure 4, le matériau isolant électrique ISO est réparti de façon différente sur les différentes surfaces des feuilles de cuivre constituant les spires des bobines SP1 et SP2. Bien que réparti sur toutes les surfaces des spires des bobines SP1 et SP2, y compris sur leurs arêtes, l’épaisseur de l’isolant électrique ISO est plus faible sur les arêtes des spires que sur leurs surfaces planes. En effet, une plus faible épaisseur d’isolant électrique sur les arêtes inférieures des spires SP1 et SP2, en contact thermique avec la plaque d’aluminium BA, augmente la conductivité thermique entre ces spires et la plaque d’aluminium BA.
Cependant, la présence de l’isolant électrique ISO sur ces arêtes est nécessaire pour empêcher un arc électrique de se former entre deux spires. Cet isolant permet aussi de limiter la capacité parasite inter-spire néfaste pour le fonctionnement du transformateur. L’épaisseur minimum ei2 pour cette isolation électrique est d’environ 50 pm, en deçà un arc électrique peut se former entre deux spires ou entre une spire et la plaque d’aluminium BA reliée au châssis de la voiture. ei2 est donc ici la valeur minimale d’isolation choisie entre la plaque d’aluminium BA et les conducteurs de cuivre pour maximiser le refroidissement, correspondant à l’épaisseur d’isolant ISO sur les arêtes des spires.
La capacité Cp parasite entre deux spires, néfaste pour le fonctionnement du convertisseur dépend de l’épaisseur d’isolation entre spires, est:
Avec εο la permittivité du vide, εΓ la permittivité du matériau isolant ISO (2,3 pour le Téflon utilisé), lms la longueur moyenne d’une spire, et ei 1 l’épaisseur d’isolant ISO recouvrant la surface plane d’une feuille de cuivre.
En choisissant ei1 à 100pm, soit deux fois ei2, on diminue cette capacité parasite.
En variante l’épaisseur ei2 d’isolant électrique sur les arêtes est dans un rapport compris entre 1,5 et 2 fois moins que l’épaisseur ei1 d’isolant électrique sur les surfaces planes des spires.
Dans ce mode de réalisation, les surfaces planes des spires sont donc recouvertes de 100 pm d’épaisseur d’un adhésif en Teflon®, tandis que leurs arêtes sont recouvertes de 50 pm d’épaisseur d’un adhésif en Teflon®. Les feuilles de cuivre ont une hauteur h de 8 millimètres environ, leur épaisseur ec est de 200 pm environ.
Afin d’augmenter encore la conductivité thermique entre les arêtes inférieures des spires des bobines SP1 et SP2 et la plaque en aluminium BA, le dispositif d’électronique de puissance DEP comporte une pâte thermique PAT disposée sur la surface SA, dans laquelle baignent les extrémités des arêtes inférieures des spires des bobines SP1 et SP2. La pâte thermique PAT est par exemple du Kerafol KP98®.
Selon une autre variante de réalisation de l’invention représentée sur la figure 5, les arêtes inférieures des spires d’une des bobines, ici la bobine SP2, ne sont pas recouvertes de l’adhésif isolant électrique ISO. En revanche les arêtes inférieures des spires de l’autre bobine SP1 sont recouvertes d’une couche d’isolant électrique ISO d’épaisseur ei1, ce qui permet de respecter l’épaisseur d’isolant électrique nécessaire entre deux arêtes adjacentes.
Dans cette variante de réalisation, les surfaces planes des feuilles formant les spires des bobines SP1 et SP2 sont recouvertes de la même épaisseur ei1 de matériau isolant ISO. Les arêtes des spires de chaque bobine sont recouvertes de la même épaisseur d’isolant électrique ISO, mais d’un seul côté, l’autre côté étant dépourvu d’isolant électrique ISO, ce côté étant différent pour chaque bobine. Cela permet une fabrication homogène des bobines.
Afin d’isoler électriquement la spire SP2 de la plaque en aluminium BA, le dispositif d’électronique de puissance DEP comporte une couche d’un matériau PAI à la fois isolant électrique et conducteur thermique, sur la surface
SA, intercalé entre la plaque d’aluminium BA et les bobines SP1 et SP2. Ce revêtement en matériau PAI est par exemple du T-flex® 611.
Ces deux variantes de réalisation du dispositif selon l’invention rendent 5 le refroidissement des bobines SP1 et SP2 efficace, homogène et peu coûteux par rapport aux dispositifs de l’art antérieur.
Claims (8)
- REVENDICATIONS1. Dispositif (DEP) d’électronique de puissance comportant un transformateur plan et une base (BA) en aluminium apte à refroidir ledit transformateur plan, ledit transformateur plan comportant :une structure en ferrite (SF) formant deux logements traversants (LF1, LF2), deux bobines (SP1, SP2) de spires entrelacées formées de feuilles de cuivre passant dans lesdits logements (LF1, LF2) de sorte à entourer la partie médiane (PM) de ladite structure en ferrite (SF) séparant lesdits deux logements traversants (LF1, LF2), les parties planes desdites feuilles de cuivre étant disposées parallèlement aux parois internes de ladite partie médiane (PM), caractérisé en ce que ladite base (BA) en aluminium comporte une surface (SA) en contact thermique avec une paroi externe de ladite structure (SF) et avec les arêtes des feuilles de cuivre dépassant desdits logements (LF1, LF2) du côté de ladite paroi externe.
- 2. Dispositif (DEP) d’électronique de puissance selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite surface (SA) de ladite base (BA) en aluminium forme un logement (LA) apte à recevoir ladite structure en ferrite (SF) sur ladite paroi externe, orthogonale auxdites parties planes des feuilles de cuivre, et forme deux portions planes (PP1, PP2) latérales audit logement (LA) et en contact thermique avec chacune des arêtes des feuilles de cuivre formant lesdites bobines (SP1, SP2), situées du côté de ladite base (BA) en aluminium.
- 3. Dispositif (DEP) d’électronique de puissance selon la revendication 1 ou 2, comportant sur la face de ladite base (BA) en aluminium opposée à ladite surface (SA) en contact thermique avec ladite structure (SF) et lesdites bobines (SP1, SP2), des ailettes (AR) de refroidissement ou une canalisation destinée à recevoir un fluide de refroidissement.
- 4. Dispositif (DEP) d’électronique de puissance selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que lesdites feuilles de cuivre sont chacune enveloppées d’une couche d’isolation électrique, l’épaisseur de ladite couche d’isolation électrique étant plus faible sur lesdites arêtes en contact thermique avec ladite base (BA) en aluminium, que sur les surfaces planes desdites feuilles.
- 5. Dispositif (DEP) d’électronique de puissance selon la revendication 4, caractérisé en ce que ladite couche d’isolation électrique est deux fois moins épaisse sur lesdites arêtes en contact thermique avec ladite base (BA) en aluminium, que sur les surfaces planes desdites feuilles.
- 6. Dispositif (DEP) d’électronique de puissance selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu’un matériau d’isolant électrique (ISO) protège les feuilles desdites bobines (SP1, SP2) entre elles, ledit matériau isolant (ISO) recouvrant les parties planes de chaque feuille et les arêtes de chaque feuille sur au moins un de leurs côtés, une des bobines (SP2) n’étant pas protégée par ledit matériau isolant (ISO) sur les arêtes de ses feuilles en contact thermique avec ladite base (BA) en aluminium, un autre matériau isolant électrique (PAI) et conducteur thermique étant interfacé entre ladite base (BA) en aluminium et lesdites arêtes en contact thermique avec ladite base (BA) en aluminium.
- 7. Dispositif (DEP) d’électronique de puissance selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les arêtes desdites feuilles en contact thermique avec ladite base (BA) en aluminium baignent dans une couche de pâte thermique (PAT).
- 8. Chargeur pour véhicule électrique ou hybride comportant un dispositif (DEP) d’électronique de puissance selon l’une quelconque des revendications précédentes, dimensionné pour une utilisation à une fréquence de l’ordre de 500kHz.
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| FR3078816B1 (fr) | 2020-02-07 |
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