FR3094831A3 - TRANSFORMER USED AS A SERIAL INDUCER FOR ZVS OR LLC RESONANT CONVERTERS - Google Patents
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Abstract
Le présent document concerne un transformateur utilisé comme inducteur série pour les convertisseurs à résonance ZVS ou LLC comprenant : un noyau magnétique de section transversale cylindrique ou polygonale ; une bobine (1) d'un matériau isolant électrique fournissant un corps de bobine ; des enroulements primaire (2) et secondaire (4) isolés électriquement et enroulés coaxialement autour d'une rainure annulaire de ladite bobine, dans lequel la bobine (1) a des extensions configurées pour être fixées à des bornes (5) pour la connexion électrique avec lesdits enroulements primaire (2) et secondaire (4), caractérisé en ce qu'un film magnétique (3) flexible à faible perméabilité est disposé, logé, entre lesdits enroulements primaire (2) et secondaire (4) entourant ledit film magnétique (3) au moins en partie l'enroulement primaire (2), moyennant quoi les trois éléments : l'enroulement primaire (2), le film magnétique (3) et l'enroulement secondaire (4) sont coaxiaux entre eux et entourent le noyau magnétique. Figure à publier avec l’abrégé : Figure 7This document relates to a transformer used as a series inductor for ZVS or LLC resonance converters comprising: a magnetic core of cylindrical or polygonal cross section; a coil (1) of an electrically insulating material providing a coil body; electrically insulated primary (2) and secondary (4) windings coaxially wound around an annular groove of said coil, wherein the coil (1) has extensions configured to be attached to terminals (5) for electrical connection with said primary (2) and secondary (4) windings, characterized in that a flexible low permeability magnetic film (3) is disposed, housed, between said primary (2) and secondary (4) windings surrounding said magnetic film ( 3) at least partly the primary winding (2), whereby the three elements: the primary winding (2), the magnetic film (3) and the secondary winding (4) are coaxial with each other and surround the core magnetic. Figure to be published with the abstract: Figure 7
Description
Domaine technique de l’inventionTechnical field of the invention
La présente invention concerne un transformateur avec une valeur d'inductance en série intégrée dans le transformateur comme un élément magnétique unique.The present invention relates to a transformer with a series inductance value integrated in the transformer as a single magnetic element.
Plus précisément, l'invention révèle un moyen amélioré d'augmenter la densité de puissance dans les ensembles magnétiques LLC ou ZVS.Specifically, the invention discloses an improved means of increasing power density in LLC or ZVS magnetic assemblies.
Aujourd'hui, le marché des véhicules hybrides et électriques rechargeables (VHV/EV) connaît une croissance assez rapide. Il s'agit de solutions alternatives aux voitures à moteur thermique courantes pour réduire la pollution mondiale, notamment en termes de rejets de CO2(dioxyde de carbone) ou d'autres polluants NOx (oxydes d'azote) ainsi que de particules fines toxiques pour la santé (provenant des voitures à moteur diesel). Ces nouveaux modèles nécessitent de plus en plus d'électronique de puissance à l'intérieur, non seulement pour l'alimentation de la chaîne de traction électrique avec contrôle de la vitesse et du couple par un module onduleur, mais aussi pour les chargeurs de batterie haute tension (HT) connectés au réseau électrique domestique et les alimentations basse tension (BT) continues stables à l'intérieur des voitures pour les équipements conventionnels 12-14Vdc (radio, GPS, unités de commande embarquées (ECU), système de climatisation, éclairage, etc.).Today, the market for plug-in hybrid and electric vehicles (VHV/EV) is growing quite rapidly. These are alternative solutions to common thermal engine cars to reduce global pollution, particularly in terms of CO 2 (carbon dioxide) or other NOx pollutants (nitrogen oxides) as well as toxic fine particles. for health (from diesel-powered cars). These new models require more and more power electronics inside, not only for the supply of the electric traction chain with speed and torque control by an inverter module, but also for the battery chargers. high voltage (HV) connected to the domestic power grid and stable DC low voltage (LV) supplies inside cars for conventional 12-14Vdc equipment (radio, GPS, on-board control units (ECU), air conditioning system, lighting, etc).
Nous faisons ici référence aux chargeurs AC/DC (courant alternatif au courant continu) dans la gamme de puissance 3-22kW et aux convertisseurs DC/DC d'environ 2-4 kW. Les topologies électroniques préférées sont le schéma en demi-pont ou en pont complet LLC (réservoir à résonance inducteur-condensateur-condensateur) pour les chargeurs CA/CC (figure 1) ainsi que le pont complet déphaseur ZVS (commutation à tension nulle) pour les convertisseurs HT/BT (figure 2). La fréquence de fonctionnement est maintenue dans la gamme 70-500 kHz pour la quantité déjà assez importante de puissance à transmettre par des techniques de commutation.We are referring here to AC/DC chargers (alternating current to direct current) in the 3-22kW power range and DC/DC converters of around 2-4 kW. Preferred electronic topologies are the half-bridge or full-bridge LLC (Inductor-Capacitor-Capacitor Resonance Tank) scheme for AC/DC chargers ( Figure 1 ) as well as the phase-shifting full-bridge ZVS (Zero Voltage Switching) for HV/LV converters ( figure 2 ). The operating frequency is kept in the 70-500 kHz range for the already quite large amount of power to be transmitted by switching techniques.
Ces topologies nécessitent un transformateur assurant la conversion de la tension en fonction de son rapport de transformation (N1:N2) qui comprend également une isolation galvanique entre les circuits primaire et secondaire. Un second élément magnétique (Lr ou Lzvs) est nécessaire en série avec le primaire du transformateur comme une bobine de résonance utilisée dans les techniques LLC ou ZVS. Pour l'étape LLC, un troisième élément magnétique parallèle (Lp) est ajouté pour former le réservoir de résonance. Il peut souvent être remplacé par l'inductance magnétisante du transformateur lui-même, ce qui fait que le jeu magnétique ne comporte que deux composants, comme dans le cas de la ZVS.These topologies require a transformer ensuring the conversion of the voltage according to its transformation ratio (N1:N2) which also includes galvanic isolation between the primary and secondary circuits. A second magnetic element (Lr or Lzvs) is needed in series with the primary of the transformer like a resonant coil used in LLC or ZVS techniques. For the LLC stage, a third parallel magnetic element (Lp) is added to form the resonance reservoir. It can often be replaced by the magnetizing inductance of the transformer itself, resulting in the magnetic set having only two components, as in the case of the ZVS.
En se concentrant sur l'inducteur en série avec le primaire du transformateur, une valeur d'inductance de quelques microhenrys est généralement nécessaire pour la résonance avec l'auto-capacitance des transistors (CMOS en parallèle avec le drain-source des transistors MOSFET dans lafigure 2) pour ZVS. Pour la résonance LLC avec le condensateur série (Cr dans lafigure 1), une valeur plus élevée de plusieurs micro à quelques dizaines de microhenrys est généralement nécessaire.Focusing on the inductor in series with the primary of the transformer, an inductance value of a few microhenrys is usually needed to resonate with the transistors self-capacitance (CMOS in parallel with the drain-source of MOSFETs in Figure 2 ) for ZVS. For LLC resonance with the series capacitor (Cr in Figure 1 ), a higher value of several micro to a few tens of microhenrys is usually needed.
Etat de la techniqueState of the art
Différentes techniques ont déjà été mises en œuvre pour essayer d'intégrer l'inducteur série dans le transformateur comme un élément magnétique unique :
- une possibilité consiste à utiliser l'inductance de fuite du transformateur même comme valeur d'inductance série requise pour Lr ou Lzvs [US2017040097A1],
- une autre possibilité est l'ajout d'une partie de noyau comme extension du noyau du transformateur pour obtenir la valeur de bobine d’arrêt requise. Ainsi, un noyau plus complexe intègre à la fois le transformateur et la bobine de résonance [CN107887143A, CN207321121U],
- enfin, l'utilisation d'un shunt magnétique entre les enroulements primaires et secondaires séparés en secteurs peut être une troisième solution [US4613841A US4689592A, EP0142207A1, US8395470, US8648687 et US2018254143A1]. Par exemple, l'introduction d'un noyau annulaire entre les enroulements primaires et secondaires supérieurs et inférieurs est une technologie cohérente déjà existante basée sur ce principe (Figure 3). Le noyau est normalement choisi comme un numéro de pièce standard du catalogue avec des dimensions et un niveau de perméabilité donnés.Different techniques have already been implemented to try to integrate the series inductor into the transformer as a single magnetic element:
- one possibility is to use the leakage inductance of the transformer itself as the required series inductance value for Lr or Lzvs [US2017040097A1],
- another possibility is the addition of a core part as an extension of the transformer core to obtain the required choke value. Thus, a more complex core integrates both the transformer and the resonance coil [CN107887143A, CN207321121U],
- finally, the use of a magnetic shunt between the primary and secondary windings separated into sectors can be a third solution [US4613841A US4689592A, EP0142207A1, US8395470, US8648687 and US2018254143A1]. For example, the introduction of an annular core between the upper and lower primary and secondary windings is an already existing consistent technology based on this principle (Figure 3). The core is normally chosen as a standard catalog part number with given dimensions and level of permeability.
Cependant, les techniques susmentionnées visant à intégrer la valeur de l'inductance série dans le transformateur présentent des limites évidentes.However, the aforementioned techniques for integrating the value of the series inductance in the transformer have obvious limitations.
Tout d'abord, la valeur de l'inductance de fuite est normalement un élément parasite qui doit être réglé le plus bas possible par le concepteur pour offrir le meilleur couplage dans le transformateur. Ainsi, les pertes de fréquence supplémentaires (courants de Foucault, effet de proximité) à l'intérieur de l'enroulement peuvent être réduites au minimum. Sinon, les pertes totales de cuivre correspondantes peuvent être plusieurs fois supérieures à celles prévues, ce qui peut entraîner une surchauffe du transformateur. Deuxièmement, dans la taille donnée du transformateur, la séparation des enroulements nécessaire pour générer un couplage plus mauvais et donc une valeur d'inductance plus élevée est facilement obtenue en mettant une séparation entre les enroulements primaires et secondaires (voir le US2009278646A1). En conservant la taille du transformateur et des conducteurs telle que définie pour la puissance et les courants nominaux, la distance de séparation ne peut pas être aussi élevée et la plupart du temps la valeur cible pour la valeur de l'inductance série ne peut pas être atteinte. Cela finit par provoquer un mauvais couplage qui se traduit par des champs magnétiques hors de l'enroulement, avec une possible propagation électromagnétique hors du transformateur. La plupart du temps, un tel comportement doit être interdit pour ne pas dépasser les niveaux d'interférence autorisés (par conduction ou rayonnement) selon les normes de sécurité automobile (comme UL 2202, IEC 61851-21 ou similaire).First, the value of the leakage inductance is normally a parasitic element which should be set as low as possible by the designer to provide the best coupling into the transformer. Thus, additional frequency losses (eddy currents, proximity effect) inside the winding can be minimized. Otherwise, the corresponding total copper losses may be several times higher than expected, which may lead to overheating of the transformer. Secondly, in the given size of the transformer, the separation of the windings necessary to generate a worse coupling and therefore a higher inductance value is easily obtained by putting a separation between the primary and secondary windings (see US2009278646A1). Keeping the size of the transformer and conductors as defined for the power and current ratings, the separation distance cannot be so large and most of the time the target value for the series inductance value cannot be reached. This eventually causes poor coupling which results in magnetic fields out of the winding, with possible electromagnetic propagation out of the transformer. Most of the time, such behavior must be prohibited so as not to exceed the permissible interference levels (conducted or radiated) according to automotive safety standards (such as UL 2202, IEC 61851-21 or similar).
D'autre part, l'ajout d'un demi-noyau pour que l'inducteur partage une partie du circuit magnétique avec le transformateur implique également des pertes supplémentaires dans le noyau et le cuivre. En outre, le poids, le volume et le coût d'une telle variante peuvent être similaires à ceux du transformateur seul, plus son inducteur à résonance discret. En d'autres termes, cette solution n'offre aucune augmentation réelle de la densité de puissance à un coût moindre dans de telles solutions magnétiques intégrées. Seule la manipulation et la soudure d'un seul ensemble magnétique au lieu de deux éléments discrets peut être un avantage par rapport au gain de place sur la carte électronique sur laquelle les composants sont montés.On the other hand, adding a half-core so that the inductor shares part of the magnetic circuit with the transformer also involves additional losses in the core and the copper. Also, the weight, bulk, and cost of such a variant can be similar to the transformer alone, plus its discrete resonant inductor. In other words, this solution offers no real increase in power density at a lower cost in such integrated magnetic solutions. Only the handling and soldering of a single magnetic assembly instead of two discrete elements can be an advantage in relation to saving space on the electronic board on which the components are mounted.
Le cas de l'utilisation d'un shunt magnétique entre des bobinages séparés semble être le moyen le plus pratique de fournir une plus grande valeur d'inductance série en améliorant le guidage du flux de fuite avec l'augmentation de la densité de puissance. Les techniques courantes sont basées sur l'introduction d'un noyau solide non déformable, de préférence en matériau à haute perméabilité magnétique, entre les enroulements pour atteindre la valeur d'inductance série prévue (Figure 3), comme indiqué dans le document US4613841A cité.The case of using a magnetic shunt between separate windings seems to be the most practical way to provide a larger value of series inductance by improving the guidance of leakage flux with increasing power density. Common techniques are based on the introduction of a non-deformable solid core, preferably of high magnetic permeability material, between the windings to achieve the expected series inductance value (Figure 3), as shown in cited US4613841A .
Présentation de l’inventionPresentation of the invention
La solution proposée par cette invention est différente dans la mesure où elle est basée sur l'augmentation de la valeur de l'inductance de fuite.The solution proposed by this invention is different insofar as it is based on increasing the value of the leakage inductance.
Le document US 8648687 reconnaît comme un développement récent du système d'alimentation électrique dans un produit électronique faisant un usage actif de l'inévitable inductance de fuite. Par exemple, l'inductance de fuite (L) et un condensateur (C) composent un circuit à résonance LC. Un interrupteur souple utilisant le circuit à résonance LC a réduit les risques de dommages, minimisé le bruit et amélioré les performances.US 8648687 recognizes as a recent development of the power supply system in an electronic product making active use of the inevitable leakage inductance. For example, the leakage inductor (L) and a capacitor (C) make up an LC resonant circuit. A soft switch using the LC resonant circuit reduced the risk of damage, minimized noise and improved performance.
L'augmentation de la valeur de l'inductance de fuite selon la proposition de cette invention est obtenue par l'introduction d'un film magnétique flexible à faible perméabilité entre les enroulements primaires et secondaires. Ce film enroulé entre des enroulements concentriques, autour d'un noyau magnétique, sur l'épaisseur requise, permet de guider le flux de fuite et par conséquent d'augmenter l'inductance de fuite représentative de celui-ci (Figure 4). L'introduction du film, par sa flexibilité, fera partie du processus d'enroulement qui est différent d'une structure spéciale de noyau qui pourrait également inclure ce shunt concentrique par une forme solide 110 mais d'un matériau à haute perméabilité magnétique inclus dans la structure du circuit magnétique comme révélé dans le document US4613841A mentionné.The increase in the value of the leakage inductance according to the proposal of this invention is obtained by the introduction of a flexible magnetic film with low permeability between the primary and secondary windings. This film wound between concentric windings, around a magnetic core, over the required thickness, makes it possible to guide the leakage flux and consequently to increase the leakage inductance representative of it (Figure 4). The introduction of the film, by its flexibility, will be part of the winding process which is different from a special core structure which could also include this concentric shunt by a solid form 110 but of a material with high magnetic permeability included in the structure of the magnetic circuit as revealed in the document US4613841A mentioned.
Un réglage correct de la perméabilité du film magnétique (pour un bon guidage du flux de fuite sans risque de saturation de la couche) et de l'épaisseur (dans une dimension raisonnable à intégrer dans le volume du transformateur) permet un réglage précis de la valeur de l'inductance de fuite par rapport à celle de l'inducteur à résonance requis. Le niveau de perméabilité est normalement choisi dans la fourchette de 20-60 pour ne pas être trop bas pour avoir un guidage de la densité de flux de fuite suffisant et pas trop élevé pour éviter la saturation du film par un trop bon guidage du flux dans son épaisseur. L'épaisseur appliquée est généralement comprise entre quelques dixièmes de millimètre et quelques millimètres. En outre, le film introduit doit être constitué d'un matériau magnétique dont les propriétés (Figure 5) sont conformes au fonctionnement du transformateur (plage de fréquence (µ'), pertes (µ''), indice thermique, conforme à la directive RoHS...). Il peut être fourni sous forme de couches de blindage EMI (interférences électromagnétiques) déjà existantes sur le marché et retravaillées à la largeur appropriée ou entièrement adaptées aux besoins du concepteur. Par conséquent, cette invention peut être appliquée à de nombreuses formes de transformateurs avec une grande adaptabilité dans la manière de définir la hauteur du shunt concentrique flexible et l'épaisseur totale de l'enroulement pour atteindre les performances attendues dans un volume réduit.A correct adjustment of the permeability of the magnetic film (for a good guiding of the leakage flow without risk of saturation of the layer) and of the thickness (in a reasonable dimension to be integrated in the volume of the transformer) allows a precise adjustment of the value of the leakage inductance relative to that of the required resonant inductor. The level of permeability is normally chosen in the range of 20-60 so as not to be too low to have sufficient guiding of the leakage flux density and not too high to avoid saturation of the film by too good guiding of the flux in its thickness. The thickness applied is generally between a few tenths of a millimeter and a few millimeters. In addition, the film introduced must be made of a magnetic material whose properties (Figure 5) are in accordance with the operation of the transformer (frequency range (µ'), losses (µ''), thermal index, in accordance with the directive RoHS...). It can be supplied as layers of EMI (electromagnetic interference) shielding already existing on the market and reworked to the appropriate width or entirely tailored to the needs of the designer. Therefore, this invention can be applied to many forms of transformers with great adaptability in the way of defining the height of the flexible concentric shunt and the total thickness of the winding to achieve the expected performance in a reduced volume.
L'introduction de cette technique n'affecte pas l'inductance magnétisante du transformateur de manière perceptible. Si une légère déviation peut se produire en raison de l'ajout d'un élément magnétique à l'intérieur du noyau principal, une petite modification de la longueur de l'entrefer central reste possible pour récupérer la valeur typique attendue.The introduction of this technique does not affect the magnetizing inductance of the transformer in any noticeable way. If a slight deviation may occur due to the addition of a magnetic element inside the main core, a small modification of the length of the central air gap is still possible to recover the expected typical value.
D'autre part, cette technique ne modifie que les pertes totales de cuivre dans l'enroulement en raison d'éventuels effets parasites plus importants en fonction de la fréquence. Le concepteur doit en tenir pleinement compte au stade de la conception en appliquant des règles de conception correctes ou des simulations électromagnétiques par éléments finis pour s'assurer que le niveau total des pertes sera accepté par la taille du composant sans surchauffe. Bien sûr, cela dépend aussi de l'environnement (température ambiante maximale dans l'application) et de l'efficacité du refroidissement dans le convertisseur (air pulsé, dissipateur de chaleur à plaque d'eau froide, enrobage avec une résine conductrice de chaleur, etc.).On the other hand, this technique only changes the total copper losses in the winding due to possible larger parasitic effects as a function of frequency. The designer must take this fully into account at the design stage by applying correct design rules or finite element electromagnetic simulations to ensure that the total level of losses will be accommodated by the component size without overheating. Of course, it also depends on the environment (maximum ambient temperature in the application) and the cooling efficiency in the converter (forced air, cold water plate heat sink, potting with heat conductive resin , etc).
Par conséquent, l'invention présentée fournit un moyen amélioré d'augmenter la densité de puissance dans les ensembles magnétiques LLC ou ZVS par l'intégration d'une valeur d'inductance en série en utilisant un film magnétique concentrique flexible à faible perméabilité, personnalisable et configurable. Une grande adaptabilité au stade de la conception ainsi que le traitement dans le cadre de l'opération d'enroulement sont la garantie de coûts de développement et de produit final plus faibles, ce qui constitue un réel avantage concurrentiel.Therefore, the disclosed invention provides an improved way to increase power density in LLC or ZVS magnetic assemblies by integrating a series inductance value using a flexible, low permeability, concentric magnetic film that can be customized. and configurable. High adaptability in the design stage as well as processing in the winding operation guarantees lower development and final product costs, which is a real competitive advantage.
Le présent document concerne un transformateur utilisé comme inducteur série pour les convertisseurs à résonance ZVS ou LLC comprenant : un noyau magnétique de section transversale cylindrique ou polygonale ; une bobine d'un matériau isolant électrique fournissant un corps de bobine ; des enroulements primaire et secondaire isolés électriquement et enroulés coaxialement autour d'une rainure annulaire de ladite bobine, dans lequel la bobine a des extensions configurées pour être fixées à des bornes pour la connexion électrique avec lesdits enroulements primaire et secondaire, caractérisé en ce qu'un film magnétique flexible à faible perméabilité est disposé, logé, entre lesdits enroulements primaire et secondaire entourant ledit film magnétique au moins en partie l'enroulement primaire, moyennant quoi les trois éléments : l'enroulement primaire, le film magnétique et l'enroulement secondaire sont coaxiaux entre eux et entourent coaxialement le noyau magnétique qui est inséré à travers un noyau creux de la bobine.This document relates to a transformer used as a series inductor for ZVS or LLC resonant converters comprising: a magnetic core of cylindrical or polygonal cross-section; a coil of electrical insulating material providing a coil body; electrically insulated primary and secondary windings coaxially wound around an annular groove of said coil, wherein the coil has extensions configured to attach to terminals for electrical connection with said primary and secondary windings, characterized in that a flexible low permeability magnetic film is disposed, housed, between said primary and secondary windings surrounding said magnetic film at least partially the primary winding, whereby the three elements: the primary winding, the magnetic film and the secondary winding are coaxial with each other and coaxially surround the magnetic core which is inserted through a hollow core of the coil.
Le film magnétique peut être cylindrique en entourant complètement l'enroulement primaire.The magnetic film can be cylindrical by completely surrounding the primary winding.
Le film cylindrique magnétique peut couvrir seulement une partie du développement en hauteur des enroulements primaires et secondaires.The magnetic cylindrical film can cover only part of the development in height of the primary and secondary windings.
Le film magnétique flexible à faible perméabilité peut avoir une perméabilité de l'ordre de 20 à 60, servi avec ou sans couche adhésive.The low permeability flexible magnetic film can have a permeability in the range of 20 to 60, served with or without an adhesive layer.
Le film magnétique flexible à faible perméabilité peut également avoir une épaisseur de 0,1 à 1 mm, permettant un fonctionnement en fréquence sur une fréquence de 1 MHz.The low permeability flexible magnetic film can also be 0.1 to 1 mm thick, allowing frequency operation at a frequency of 1 MHz.
Le film magnétique flexible à faible perméabilité peut être constitué d'une seule couche ou de deux ou plusieurs couches disposées en spirale.The low permeability flexible magnetic film can be made of a single layer or two or more layers arranged in a spiral.
Le noyau du transformateur peut être en deux parties et peut comprendre un premier et un second corps magnétique symétrique, indépendants l'un de l'autre, qui comprennent chacun une plaque d'où dépasse un élément de noyau tubulaire, les deux éléments de noyau tubulaire étant disposés à travers le noyau creux de la bobine et se faisant face.The core of the transformer may be in two parts and may comprise a first and a second symmetrical magnetic body, independent of one another, which each comprise a plate from which protrudes a tubular core element, the two core elements tubular being arranged through the hollow core of the coil and facing each other.
Les extensions de la bobine peuvent être configurées pour être fixées à une plaque de base supportant lesdites bornes pour le raccordement électrique aux enroulements.The coil extensions can be configured to attach to a base plate supporting said terminals for electrical connection to the windings.
La bobine et la plaque de base peuvent être en matière plastique choisie parmi LCP, phénolique, PET ou un polymère thermodurcissable, résistant à la température au moins dans la plage de -40/+155°C, et ignifuge.The coil and the base plate can be made of plastic material chosen from LCP, phenolic, PET or a thermosetting polymer, resistant to temperature at least in the range of -40/+155° C., and flame retardant.
La matière plastique peut également fournir un niveau d'isolation électrique entre l'enroulement et le noyau d'au moins 3-4kV/mm.The plastic material can also provide a level of electrical insulation between the winding and the core of at least 3-4kV/mm.
Les enroulements primaires et secondaires peuvent être réalisés en fil de Litz.The primary and secondary windings can be made of Litz wire.
Le fil de Litz peut être isolé à l’intérieur d’un film mince en polyimide de 25µm superposé, fournissant un système d'isolation renforcé.Litz wire can be insulated inside a thin 25µm polyimide film overlaid, providing a reinforced insulation system.
Ce qui précède et d'autres avantages et caractéristiques seront mieux compris à partir de la description détaillée suivante d'un mode de réalisation en référence aux dessins joints, qui doivent être pris d'une manière illustrative et non limitative, dans laquelle :
les figures 1 et 2 illustrent deux topologies électroniques de chargeurs AC/DC (courant alternatif au courant continu), dans lesquelles l'objet de cette invention est applicable.The foregoing and other advantages and features will be better understood from the following detailed description of an embodiment with reference to the accompanying drawings, which are to be taken in an illustrative and not limiting manner, in which:
FIGS. 1 and 2 illustrate two electronic topologies of AC/DC chargers (alternating current to direct current), in which the object of this invention is applicable.
Ainsi :Thereby :
Description détaillée de l’inventionDetailed description of the invention
La figure 1 montre schématiquement un convertisseur LLC à demi-pont à résonance utilisé dans les chargeurs de batterie DC/AC intégrés. La figure montre les valeurs des tensions d'entrée et de sortie Vent(Vin) et Vsal (Vout), la porte de contrôle 13, le transformateur 11 et le condensateur de sortie 12. Le réservoir de résonance est constitué d'un ensemble de condensateurs Cr et d'inductances Lr et Lp connectés au primaire du transformateur 11.Figure 1 schematically shows a resonant half-bridge LLC converter used in on-board DC/AC battery chargers. The figure shows the values of the input and output voltages V ent (V in ) and Vsal (V out ), the control gate 13, the transformer 11 and the output capacitor 12. The resonance tank consists of a set of capacitors Cr and inductors Lr and Lp connected to the primary of transformer 11.
La figure 2 illustre schématiquement un convertisseur DC/DC à pont complet ZVS (commutation par pas de zéro tension) quasi résonant. Les tensions d'entrée et de sortie Vent(Vin) et Vsal (Vout), les transistors Cmos 22 utilisés, l'inductance ZVS 21, le transformateur 20 et l'inductance 23 à côté de la sortie sont également indiqués.Figure 2 schematically illustrates a quasi-resonant ZVS (zero voltage step switching) full-bridge DC/DC converter. The input and output voltages V ent (V in ) and Vsal (V out ), the Cmos 22 transistors used, the ZVS inductor 21, the transformer 20 and the inductor 23 next to the output are also indicated.
La figure 3 illustre un exemple de solution de l'état de l'art consistant à introduire une pièce annulaire à noyau solide 32 entre les enroulements primaire 31 et secondaire 33 d'un transformateur, agissant comme un shunt magnétique, pour atteindre une certaine valeur d'inductance série, le tout comme décrit dans le document US4613841A mentionné ci-dessus.Figure 3 illustrates an example of a state-of-the-art solution consisting in introducing an annular piece with a solid core 32 between the primary 31 and secondary 33 windings of a transformer, acting as a magnetic shunt, to reach a certain value series inductor, all as described in the document US4613841A mentioned above.
Sur la figure 4, deux transformateurs ont été comparés, l'un d'entre eux, à gauche avec une entretoise 3a entre les enroulements primaire 2 et secondaire 4 en matière plastique et à droite avec l'introduction d'un film cylindrique magnétique 3 entre les enroulements, selon les principes de cette invention. En appliquant les mêmes conditions de courant primaire/secondaire de +15Apk/-15Apk et 100 kHz, on peut observer une différence dans la valeur totale de l'énergie dans toutes les régions, ce qui détermine une inductance de fuite de 3,4 µH pour le transformateur de gauche et de 16,7 µH pour le transformateur de droite sur lequel le film magnétique 3 a été appliqué, c'est-à-dire une augmentation de l'inductance de fuite, dans cet exemple, de plus de 5 fois la première valeur d'inductance de fuite a été obtenue.In Figure 4, two transformers have been compared, one of them, on the left with a spacer 3a between the primary 2 and secondary 4 windings made of plastic material and on the right with the introduction of a cylindrical magnetic film 3 between the windings, according to the principles of this invention. By applying the same primary/secondary current conditions of +15Apk/-15Apk and 100 kHz, a difference in the total energy value can be observed in all regions, which determines a leakage inductance of 3.4 µH for the left transformer and 16.7 µH for the right transformer on which the magnetic film 3 has been applied, i.e. an increase in the leakage inductance, in this example, of more than 5 times the first leakage inductance value has been obtained.
La figure 5 est un schéma explicatif du comportement en fréquence attendu en utilisant un film magnétique flexible pour le transformateur amélioré de cette invention avec deux valeurs de perméabilité (µ) et (µ') du film magnétique flexible.Figure 5 is an explanatory diagram of the expected frequency behavior using a flexible magnetic film for the improved transformer of this invention with two permeability values (µ) and (µ') of the flexible magnetic film.
Les figures 6 à 8 illustrent un transformateur ayant une inductance intégrée avec une structure générale comme celle divulguée dans le WO 2016071553 (PREMO) comprenant :
- un premier et un deuxième corps magnétique 7 symétriques et indépendants l'un de l'autre, chacun d'eux comprenant une plaque de laquelle dépasse un élément de noyau tubulaire 7a ;
- une bobine 1 d'un matériau isolant électrique fournissant un corps de bobine ;
- des enroulements primaire 2 et secondaire 4 sont isolés électriquement et enroulés coaxialement autour d'une rainure annulaire de ladite bobine.Figures 6 to 8 illustrate a transformer having an integrated inductance with a general structure like that disclosed in WO 2016071553 (PREMO) comprising:
- A first and a second magnetic body 7 symmetrical and independent of each other, each of them comprising a plate from which projects a tubular core element 7a;
- a coil 1 of electrically insulating material providing a coil body;
- Primary 2 and secondary 4 windings are electrically insulated and wound coaxially around an annular groove of said coil.
Les deux éléments du noyau tubulaire 7a sont disposés à travers le noyau creux 1a d'une bobine 1 et se font face, et la bobine 1 possède des extensions 1b configurées pour être fixées à une plaque de base 6 supportant les sorties des enroulements ou les bornes 5 pour la connexion électrique avec lesdits enroulements primaire 2 et secondaire 4.The two elements of the tubular core 7a are arranged through the hollow core 1a of a coil 1 and face each other, and the coil 1 has extensions 1b configured to be fixed to a base plate 6 supporting the outputs of the windings or the terminals 5 for electrical connection with said primary 2 and secondary 4 windings.
La plaque de base avec les configurations de guidage des terminaux est facultative et les terminaux doivent être directement fixés aux extensions 1b de la bobine 1.The base plate with the terminal guide configurations is optional and the terminals should be attached directly to the coil 1 extensions 1b.
Selon cette invention, un film cylindrique magnétique flexible 3 de faible perméabilité est disposé, logé, entre lesdits enroulements primaire 2 et secondaire 4, de sorte que les trois éléments : l'enroulement primaire 2, le film magnétique 3 et l'enroulement secondaire 4 sont coaxiaux entre eux et entourent coaxialement les éléments du noyau tubulaire magnétique 7a inséré à travers le noyau creux 1a de la bobine 1.According to this invention, a flexible cylindrical magnetic film 3 of low permeability is arranged, housed, between said primary 2 and secondary 4 windings, so that the three elements: the primary winding 2, the magnetic film 3 and the secondary winding 4 are coaxial with each other and coaxially surround the elements of the magnetic tubular core 7a inserted through the hollow core 1a of the coil 1.
La figure 7 montre clairement la disposition du film magnétique 3 disposé entre les enroulements primaire 1 et secondaire 4, entourant coaxialement le noyau magnétique formé par les deux parties 7a en saillie tête à tête.FIG. 7 clearly shows the arrangement of the magnetic film 3 arranged between the primary 1 and secondary 4 windings, coaxially surrounding the magnetic core formed by the two parts 7a projecting head to head.
Selon un mode de réalisation :
- les corps magnétiques symétriques (deux moitiés) sont constitués de ferrite de manganèse-zinc (MnZn) à faibles pertes, avec une réponse en température plate ;
- la bobine 1 mentionnée sera en matière plastique fabriquée par exemple en LCP, phénolique, PET ou tout autre matériau (polymères thermodurcissables) résistant à la température (au moins dans la gamme -40/+155°C), ignifuge (selon la norme internationale UL94 par exemple) et assurant également un bon niveau d'isolation entre l'enroulement et les éléments du noyau 7a (au moins 3-4kV/mm) ;
- les enroulements primaires et secondaires 2, 4, sont constitués de fil de Litz (isolé par un film mince de polyimide de 25 µm, qui se chevauchent à 1/2 ou 2/3 pour fournir un système d'isolation renforcé) ;
- les sorties d'enroulement 5 sont étamées ou soudées dans des tubes fins en cuivre ou en laiton ;
- la plaque de base en plastique avec des configurations de guidage pour localiser les sorties peut être en plastique comme pour la bobine 1 ; et
- le film magnétique flexible 3, de faible perméabilité, a une perméabilité de 20 à 60, servi avec ou sans couche adhésive, et a une épaisseur de 0,1 à 1 mm, permettant un fonctionnement en fréquence à 1 MHz.According to one embodiment:
- the symmetrical magnetic bodies (two halves) are made of manganese-zinc ferrite (MnZn) with low losses, with a flat temperature response;
- the reel 1 mentioned will be made of plastic material made for example of LCP, phenolic, PET or any other material (thermosetting polymers) resistant to temperature (at least in the range -40/+155°C), flame retardant (according to the standard international standard UL94 for example) and also ensuring a good level of insulation between the winding and the elements of the core 7a (at least 3-4kV/mm);
- the primary and secondary windings 2, 4 are made of Litz wire (insulated by a thin polyimide film of 25 μm, which overlap at 1/2 or 2/3 to provide a reinforced insulation system);
- The winding outputs 5 are tinned or soldered in thin copper or brass tubes;
- the plastic base plate with guide configurations to locate the outputs can be plastic as for coil 1; and
- the flexible magnetic film 3, of low permeability, has a permeability of 20 to 60, served with or without an adhesive layer, and has a thickness of 0.1 to 1 mm, allowing operation at a frequency of 1 MHz.
En mettant cette invention en pratique, il a également été noté que l'utilisation de tels films magnétiques flexibles peut également être prévue et appliquée pour la réduction de l'effet de flux d'expansion dans un enroulement proche d'un entrefer. Un film magnétique intercalé entre les enroulements coaxiaux à un noyau magnétique pourrait par conséquent être ajouté à la surface intérieure et/ou extérieure d'un enroulement qui peut être proche des entrefers découpés sur le pôle central et/ou sur les pattes latérales du noyau de ferrite. Cette introduction permettra de réduire les pertes supplémentaires de cuivre liées à la circulation des courants de Foucault dans une partie de l'enroulement devant un entrefer. Par conséquent, le chauffage de la partie de l'enroulement et son efficacité pourraient présenter de meilleures performances.In putting this invention into practice, it has also been noted that the use of such flexible magnetic films can also be expected and applied for the reduction of the effect of expansion flux in a winding close to an air gap. A magnetic film interposed between the coaxial windings with a magnetic core could therefore be added to the inner and/or outer surface of a winding which may be close to the air gaps cut on the central pole and/or on the side legs of the core of ferrite. This introduction will make it possible to reduce the additional losses of copper linked to the circulation of eddy currents in a part of the winding in front of an air gap. Therefore, the heating of the winding part and its efficiency could show better performance.
Claims (12)
- un noyau magnétique de section transversale cylindrique ou polygonale ;
- une bobine (1) d'un matériau isolant électrique fournissant un corps de bobine ;
- des enroulements primaire (2) et secondaire (4) isolés électriquement et enroulés coaxialement autour d'une rainure annulaire de ladite bobine,
dans laquelle la bobine (1) a des extensions (1b) configurées pour être fixées à des bornes (5) pour la connexion électrique avec lesdits enroulements primaire (2) et secondaire (4),
caractérisé en ce qu'un film magnétique flexible à faible perméabilité (3) est disposé, logé, entre lesdits enroulements primaire (2) et secondaire (4) entourant ledit film magnétique (3) au moins en partie l'enroulement primaire (2), les trois éléments : l'enroulement primaire (2), le film magnétique (3) et l'enroulement secondaire (4) étant coaxiaux entre eux et entourant coaxialement le noyau magnétique qui est inséré à travers un noyau creux (1a) de la bobine (1).Transformer used as a series inductor for ZVS or LLC resonant converters, including:
- a magnetic core of cylindrical or polygonal cross-section;
- a coil (1) of electrically insulating material providing a coil body;
- electrically insulated primary (2) and secondary (4) windings wound coaxially around an annular groove of said coil,
wherein the coil (1) has extensions (1b) configured to be attached to terminals (5) for electrical connection with said primary (2) and secondary (4) windings,
characterized in that a low permeability flexible magnetic film (3) is disposed, housed, between said primary (2) and secondary (4) windings surrounding said magnetic film (3) at least partly the primary winding (2) , the three elements: the primary winding (2), the magnetic film (3) and the secondary winding (4) being coaxial with each other and coaxially surrounding the magnetic core which is inserted through a hollow core (1a) of the coil (1).
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