FR3119928A1 - Transformateur planaire de puissance - Google Patents
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Abstract
Ce transformateur planaire de puissance (1) comprend un circuit magnétique (3) et un circuit imprimé (2) comportant une première couche d’un premier matériau diélectrique rigide (10a) supportant un empilement de couches de cuivre (20) réalisant au moins un ensemble de spires conductrices primaires (7) et au moins un ensemble de spires conductrices secondaires (8), les couches de cuivre (20) étant isolées les unes des autres par des deuxièmes couches d’un deuxième matériau diélectrique (9), tel qu’un polyimide, ladite première couche étant une couche de report et d’interconnexion électrique du transformateur (1) sur une carte de circuit imprimé (4) Figure pour l’abrégé : Fig.1A
Description
La présente invention concerne les transformateurs en technologie planaire pour convertisseurs électriques, et s’applique en particulier aux réseaux électriques embarqués.
Etat de la technique antérieure
La densification du trafic aérien conduit les constructeurs aéronautiques à adapter les aéronefs de manière à transporter plus de passagers tout en diminuant le temps de trajet.
Pour ce faire, il est proposé d’électrifier les composants participant aux fonctions propulsives de l’aéronef mais aussi les composants secondaires destinés à réaliser des fonctions annexes telles que l’éclairage de la cabine de l’aéronef, sa pressurisation ou l’assistance des pilotes dans leurs manœuvres.
Ainsi, les besoins en énergie électrique sont plus élevés et nécessitent la mise en œuvre de conversions performantes et fiables d’énergie électrique entre les sources d’énergie électrique à bord de l’aéronef et lesdits composants secondaires.
Les sources d’énergie électrique comprennent généralement des générateurs destinés à fournir une tension alternative, par exemple 115 volts et des tensions continues, 28 volts par exemple.
De nouveaux systèmes pourront par ailleurs fonctionner sous des tensions continues plus élevées, 540 volts par exemple.
Ces tensions ne sont pas adaptées pour alimenter directement les équipements utilisateurs.
Des convertisseurs de puissance statiques permettent alors de transformer les tensions disponibles en tensions correspondant aux besoins des composants secondaires.
Le transformateur de puissance est un élément clef de la chaîne de conversion de tension, elle-même classique par ailleurs.
On connaît principalement deux technologies de transformateurs.
Dans une technologie de transformateur conventionnelle, les enroulements (ou bobinages) primaires et secondaires sont réalisés en fils de cuivre émaillé.
Ces transformateurs présentent un encombrement important et un coût élevé de production.
En outre, ils présentent une dispersion gênante de leurs performances électriques, liée au procédé de fabrication.
Dans la technologie dite planaire (« planar » en anglais), on utilise la technologie de circuit imprimé dite PCB (pour « Printed Circuit Board » selon le vocable anglosaxon), pour réaliser les enroulements primaire(s) et secondaire(s).
La reproductibilité industrielle du transformateur s’en trouve améliorée grâce à la réalisation des enroulements par la technique de circuit imprimé multicouche qui est très bien maîtrisée.
En contrepartie, le volume du transformateur est légèrement augmenté par rapport à un transformateur à bobinages en fils de cuivre émaillé, le vernis d’isolation de ces bobinages étant plus fin que la résine d’époxy renforcée de fibre de verre, connue sous l’acronyme anglais FR4 « Flame Resistant 4 » qui isole les différents niveaux conducteurs du circuit imprimé qui réalisent les enroulements primaires et secondaires.
Ainsi, à rendement sensiblement identique, le transformateur planaire de puissance présentera un volume plus important qu’un transformateur d’architecture classique.
Également, si on veut augmenter son rendement, ce qui veut dire réduire la résistance interne des enroulements, il faudra augmenter la quantité de cuivre.
Or, on est généralement limité en termes de volumes, et plus précisément en hauteur de composant.
L’enjeu est donc d’atteindre un rendement au moins égal ou supérieur aux transformateurs à enroulements émaillés, tout en conservant un volume réduit ainsi qu’une très bonne reproductibilité industrielle et des coûts minimisés.
L’invention a pour objet un transformateur planaire de puissance qui comprend un circuit magnétique et un circuit imprimé comportant une première couche d’un premier matériau diélectrique rigide supportant un empilement de couches de cuivre réalisant au moins un ensemble de spires conductrices primaires et au moins un ensemble de spires conductrices secondaires, les couches de cuivre étant isolées les unes des autres par des deuxièmes couches d’un deuxième matériau diélectrique tel qu’un polyimide, ladite première couche étant une couche de report et d’interconnexion électrique du transformateur sur une carte de circuit imprimé.
Les deuxièmes couches de diélectrique réalisant l’isolation entre les couches de cuivre ont une épaisseur plus fine que des couches en matériau diélectrique rigide tel que le FR4.
On augmente ainsi la densité de cuivre dans le transformateur de manière satisfaisante.
De telles couches diélectriques peuvent être interconnectées via des trous métallisés (ou « vias ») qui traversent partiellement ou complètement l’épaisseur du circuit imprimé du transformateur.
Le transformateur planaire de puissance obtenu présente une rigidité lui permettant de résister aux différentes contraintes mécaniques de son environnement (vibrations environnantes lors du montage par exemple ainsi qu’aux différentes sollicitations mécaniques rencontrées durant son utilisation).
Une telle rigidité est obtenue par une densité de cuivre accrue combinée à la rigidité de la première couche.
A isovolume, la souplesse relative du diélectrique isolant entre les couches de cuivre se perd en quelque sorte avec l’épaisseur de cuivre gagnée et le nombre de couches de l’empilement.
Le transformateur planaire selon l’invention présente tous les avantages d’une technique de fabrication bien maîtrisée permettant de garantir la reproductibilité des performances électriques du transformateur.
Avantageusement, le circuit magnétique comprend un premier corps et un deuxième corps assemblés l’un à l’autre de sorte d’entourer l’empilement du circuit imprimé, le premier corps, par une face supérieure de l’empilement et le deuxième corps par une face inférieure de l’empilement, et des rehausseurs formés dans la première couche diélectrique disposés de part et d’autre du circuit magnétique sur ladite face inférieure de l’empilement et maintenant le circuit magnétique à une hauteur prédéterminée au-dessus de la surface de carte de circuit imprimé.
Dans cet exemple, cette hauteur est comprise entre 0,1 mm et 1 mm.
Au moins le premier corps comprend une plaque principale qui s'étend dans un plan parallèle à la surface supérieure de l'empilement de couches de cuivre, et deux branches à chaque extrémité de la plaque qui s'étendent au travers de l'épaisseur de l'empilement jusqu'au deuxième corps à travers des ouvertures dans l'empilement.
Selon un autre aspect de l’invention, le circuit magnétique est à entrefer et dans lequel moins le premier corps comprend une branche médiane parallèle entre les deux branches d'extrémité, ladite branche médiane étant espacée du deuxième corps définissant une épaisseur d'entrefer et l'empilement de couches de cuivre comprenant une troisième couche diélectrique alignée et de même épaisseur que l'entrefer, réalisée dans le même matériau que la première couche diélectrique, la troisième couche diélectrique formant une couche de ségrégation de flux entre les ensembles d'enroulement primaires et les ensembles d'enroulement secondaires de l'empilement.
Cela a pour effet d’éviter des concentrations de flux magnétique au niveau des ensembles primaires et secondaires, pouvant porter atteinte à l’intégrité du transformateur planaire de puissance.
Plus particulièrement, le circuit magnétique a une forme communément appelée « en double E », les premiers et deuxièmes corps étant de même forme, à trois branches, les deux branches médianes en vis-à-vis étant à distance prédéterminée définissant l’épaisseur.
Dans un mode de réalisation, les réhausseurs sont utilisés comme plots de report en surface du transformateur sur des plages de brasages disposées sur la carte de circuit imprimé.
Autrement dit, le transformateur planaire de puissance est ici un composant CMS (pour « Composant à Monter en Surface »).
Il est à noter que l’on réalise une découpe dans l’empilement pour accueillir le circuit magnétique.
Typiquement, si on prend l’exemple d’un circuit magnétique à double E : trois trous traversant l’empilement de part en part permettant le passage des trois branches des deux corps rapportés l’un par la face supérieure et l’autre par la face inférieure.
Selon un autre aspect de l’invention, le transformateur planaire de puissance est reporté et connecté sur la carte de circuit imprimé par des broches.
Le transformateur planaire de puissance comprend alors des connexions à piquer à travers le circuit imprimé.
L’empilement de couches de cuivre du circuit imprimé du transformateur planaire de puissance selon l’invention est tel que la couche supérieure est une deuxième couche de diélectrique.
Selon un autre aspect de l’invention, le circuit imprimé du transformateur planaire de puissance comprend une dernière couche diélectrique par-dessus l’empilement de couches de cuivre, qui est réalisée dans le même matériau que la première couche diélectrique dure.
Préférentiellement, cette dernière couche diélectrique comporte des plages de connexion permettant de reporter en surface des composants actifs ou passifs, petits devant les dimensions du transformateur.
On met ainsi à profit l’espace disponible en surface du circuit imprimé du transformateur pour intégrer d’autres composants qui participent avec le transformateur, aux fonctionnalités électriques nécessaires du circuit convertisseur dans son ensemble.
En particulier, ces composants sont des condensateurs.
De préférence, la première, la troisième et la dernière couche de diélectrique sont réalisées en résine époxy renforcée de fibre de verre et les deuxièmes couches diélectriques sont réalisées en matériau polyimide.
Le polyimide est un matériau diélectrique qui permet d’obtenir des deuxièmes couches du circuit imprimé plus légères et plus minces que si elles étaient réalisées en résine époxy renforcé par du tissu de verre (FR4).
L’invention a encore pour objet un convertisseur statique de puissance pour un calculateur de système embarqué, comprenant au moins un transformateur planaire de puissance tel que défini ci-dessus.
D’autres buts, caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, donnée uniquement à titre d’exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels :
Exposé détaillé d’au moins un mode de réalisation de l’invention
On se réfère aux figures 1A et 1B qui illustrent une vue en perspective d’un transformateur planaire de puissance 1 conforme à l’invention, désigné par la référence numérique générale 1, avec ou sans entrefer.
Le transformateur planaire de puissance 1 est notamment adapté pour être utilisé comme transformateur d’un convertisseur de tension opérant à des fréquences de découpage comprises entre 100 kHz et quelques MHz.
Dans un tel convertisseur, le transformateur est un des composants participant à la fonction de conversion.
Le transformateur planaire de puissance 1 comporte un circuit imprimé 2 et un circuit magnétique 3 s’étend longitudinalement selon un axe Y.
Il forme ainsi un composant prêt à être reporté sur une carte de circuit principal 4 qui est conçue pour connecter entre eux les différents composants nécessaires à la réalisation des fonctions électroniques de conversion de tension.
Le circuit magnétique 3, conventionnellement en ferrite, est formé de manière conventionnelle de deux corps 5 et 6 superposés, s’étendant en hauteur selon un axe Z et en largeur selon un axe X, réalisant une topologie par exemple de type double E ou EI, ou CI ou CC ou toute autre topologie, et assemblés l’un à l’autre.
Le circuit imprimé 2 comprend au moins un ensemble de spires conductrices primaires 7 et au moins un ensemble de spires conductrices secondaires 8.
Selon l’invention, ce circuit imprimé 2 comprend une première couche de diélectrique 10a supportant un empilement de couches de cuivre 20 isolées les unes des autres réalisant les ensembles primaires 7, et les ensembles secondaires 8.
Ces couches de cuivre 20 sont isolées deux à deux par des deuxièmes couches de diélectriques 9 tel qu’un polyimide, qui est un matériau qui peut être déposé en couche mince comparativement à un matériau diélectrique rigide tel que le FR4.
Un tel circuit imprimé selon l’invention permet d’obtenir une densité de cuivre satisfaisante dans une hauteur contrainte de composants de puissance, dans les technologies actuelles autour de 10 mm au maximum, permettant de répondre aux besoins grandissant en termes de densité de puissance à transmettre.
La tenue mécanique du composant est assurée par la combinaison de la première couche en diélectrique dure 10a supportant l’empilement et l’empilement lui-même, avec une rigidité de l’empilement conférée par le nombre de couches associé à la grande densité de cuivre.
On notera qu’en pratique l’homme du métier est en mesure de définir l’épaisseur (et donc le nombre de couches conductrices) de l’empilement du circuit imprimé 2 du transformateur 1 selon les besoins du circuit de conversion considéré.
Dans l'exemple de la , le circuit imprimé 2 du transformateur 1 comprend en outre une troisième couche de diélectrique 10m disposée dans l'épaisseur de l'empilement de couches de cuivre 20.
La troisième couche de diélectrique 10m sépare l'empilement en deux parties E1 et E2 correspondant respectivement aux ensembles d'enroulements primaires 7 et secondaires 8.
Cette couche 10m a une fonction de ségrégation de flux. Elle contribue en outre à renforcer la tenue mécanique (rigidification) du circuit imprimé du transformateur 1.
Optionnellement, pour améliorer la tenue mécanique du circuit imprimé du transformateur, on peut prévoir une dernière couche de diélectrique 10b par-dessus l'empilement E de couches de cuivre 20 et polyimide 9.
Cette dernière couche 10b de fermeture peut avantageusement comporter des plages conductrices de report de composants CMS, de dimensions faibles devant celle du transformateur 1 comme il sera détaillé plus loin en référence à la .
Ces couches de diélectrique 10m et 10b sont réalisées dans le même matériau que la première couche diélectrique 10a, par exemple en FR4, et contribuent à conforter la rigidité de l'ensemble du circuit imprimé du transformateur planaire de puissance selon l'invention, en plus d'une fonction spécifique de ségrégation de flux pour la couche 10m et d'espace supplémentaire de montage de composants de la fonction convertisseur.
Par ailleurs, et comme visible sur les figures, ces couches diélectriques 10a, 10m et 10b peuvent être avantageusement conformées ou usinées de manière à ne pas être en contact avec le circuit magnétique.
De cette façon, on évite la transmission de vibrations mécaniques ou autres perturbations mécaniques vers le circuit magnétique.
La illustre une première vue de dessus d’un tel transformateur planaire de puissance 1 montrant un agencement conventionnel d’ensembles de spires primaires et secondaires avec un circuit magnétique du type à entrefer, qui dans l’exemple est du type à double E.
L’homme du métier saura transposer l’invention à un circuit magnétique à entrefer du type EI, c’est-à-dire un corps en forme de E et un corps qui est une plaque.
La illustre une vue de profil, montrant les parties d’enroulements primaires et secondaires de part et d’autre du circuit magnétique 3.
Le transformateur planaire de puissance 1 est ici un composant CMS prévu pour être reporté sur la carte de circuit imprimé principal 4.
Pour ce faire, des réhausseurs sont formés (usinés) dans la première couche diélectrique 10a du circuit imprimé du transformateur 1.
Les réhausseurs ont avantageusement une hauteur définie pour maintenir le circuit magnétique 3 à distance prédéterminée de la surface de carte de circuit imprimé 4.
De cette façon, il n’est pas ou plus nécessaire de ménager une cavité dans la carte de circuit imprimé principal 4.
On se réfère à la qui représente une vue en coupe transversale du circuit magnétique 3 du transformateur de la dans la version à entrefer.
Dans l’exemple illustré, le circuit magnétique 3 à entrefer est du type à double E, c’est-à-dire formé par l’assemblage symétrique de deux corps en forme de E.
Il est à noter que ce qui va être expliqué s’applique aussi bien à un circuit magnétique à entrefer qui serait du type à un corps en E et une plaque, un agencement dit « EI ».
Reprenant l’exemple illustré, les corps 5 et 6 du circuit magnétique sont en double E : ils comportent chacun une plaque principale ou barre avec trois branches orientées suivant la hauteur Z, les branches des deux corps 5 et 6 se faisant face deux à deux.
Plus précisément, les branches d’extrémité, b, b'' sont collées deux à deux et les branches médianes b' sont à une distance définissant l’épaisseur d’entrefer 13.
Cette épaisseur d’entrefer 13, entre 50 µm et 200 µm, est définie précisément par usinage de la ferrite.
Cet entrefer 13 s’étend selon l’axe longitudinal Y des plaques des corps 5 et 6.
Dans une telle configuration, le circuit imprimé d'un transformateur planaire de puissance 1 selon l'invention comprend la troisième couche de diélectrique 10m ( ), réalisée dans le même matériau que la première couche de diélectrique 10a, par exemple en FR4, pour réaliser une zone diélectrique dépourvue de tout matériau conducteur alignée et de sensiblement même épaisseur que l'entrefer 13, ou plus épaisse comme illustré, séparant l'empilement de couches de cuivre en deux parties E1 et E2 comprenant l'une l'ensemble ou les ensembles d'enroulements primaires 7 et l'autre l'ensemble ou les ensembles d'enroulements secondaires 8.
Autrement dit, cette troisième couche de diélectrique 10m a pour effet de garantir une bonne ségrégation entre l’ensemble primaire 7 et secondaire 8 et ainsi d’éviter des concentrations de flux magnétique au niveau desdits ensembles 7 et 8.
Elle a comme effet supplémentaire avantageux de renforcer la rigidité du circuit imprimé du transformateur.
La position topographique de la troisième couche diélectrique dans l’empilement est en fonction de la position de l’entrefer 13 dans le circuit magnétique 3.
La illustre un transformateur planaire de puissance 1 selon l’invention, du type composant à piquer dans la carte de circuit imprimé principal 4.
Le transformateur 1 comporte alors une pluralité de broches 14 brasées dans des trous métallisés traversant la hauteur d’empilement E et la première couche diélectrique 10a, permettant la connexion à une piste électriquement conductrice de la carte de circuit imprimé 4.
De manière conventionnelle, les spires des enroulements sur les différents niveaux de cuivre de l’empilement sont interconnectées par d’autres trous métallisés reliant entre elles des extrémités 15 de pistes de cuivre sur différentes couches de l’empilement E.
Par ailleurs, tel qu’illustré dans la , il est possible d’ajouter d’autres composants électriques CMS sur la surface supérieure disponible de l’empilement E.
Dans ce cas, comme expliqué précédemment, le circuit imprimé 4 de transformateur 1 comprend une dernière couche de diélectrique 10b, dans le même matériau diélectrique que la première couche 10a, par exemple en FR4, pourvue de plages conductrices de report CMS, par-dessus l’empilement E.
On peut ainsi utiliser la surface disponible au-dessus de l’empilement de part et d’autre du circuit magnétique 3 pour placer des composants électroniques participant avec le transformateur 1 à la fonction électronique du convertisseur, composants du convertisseur qui sont habituellement montés comme le transformateur 1, sur la carte de circuit imprimé 4 du convertisseur.
Dans un exemple réaliste d’un transformateur planaire 1 selon l’invention, formant un composant s’étendant en largeur (axe Y) sur 18 millimètres et en longueur (axe X) sur 20 millimètres, il est ainsi possible de monter au moins six boîtiers CMS de type 2220.
Dans un exemple, lorsque le convertisseur de puissance transforme une tension alternative en une tension continue, il est avantageux d’utiliser des composants CMS de type condensateur C1, C2,…, C6, formant une capacité d’alimentation du primaire du transformateur 1, améliorant ainsi les performances transitoires du transformateur 1.
En pratique, la capacité d'intégration de tels composants CMS (nombre/taille) sera fonction de l’espace disponible en surface du transformateur, et donc de la taille de ce transformateur.
On se réfère à la qui représente une vue de dessus du transformateur planaire de puissance 1.
Ici, l’empilement E est intégré dans le circuit imprimé principal 4, c’est-à-dire que le circuit imprimé 4 comprend les couches souples 9 visibles en surface du circuit imprimé.
Claims (12)
- Transformateur planaire de puissance (1) comprenant un circuit magnétique (3) et un circuit imprimé (2) comportant une première couche d’un premier matériau diélectrique rigide (10a) supportant un empilement de couches de cuivre (20) réalisant au moins un ensemble de spires conductrices primaires (7) et au moins un ensemble de spires conductrices secondaires (8), les couches de cuivre (20) étant isolées les unes des autres par des deuxièmes couches d’un deuxième matériau diélectrique (9), tel qu’un polyimide, ladite première couche étant une couche de report et d’interconnexion électrique du transformateur (1) sur une carte de circuit imprimé (4).
- Transformateur planaire de puissance (1) selon la revendication 1, dans lequel le circuit magnétique (3) comprend un premier corps (5) et un deuxième corps (6) assemblés l’un à l’autre de sorte d’entourer l’empilement du circuit imprimé (2), le premier corps (5), par une face supérieure de l’empilement et le deuxième corps (6) par une face inférieure de l’empilement, et des rehausseurs formés dans la première couche diélectrique (10a) disposés de part et d’autre du circuit magnétique (3) sur ladite face inférieure de l’empilement et maintenant le circuit magnétique (3) à une hauteur prédéterminée au-dessus de la surface de carte de circuit imprimé (4).
- Transformateur planaire de puissance (1) selon la revendication 2, dans lequel le premier corps (5) comprend une plaque principale s’étendant dans un plan parallèle à la surface supérieure de l’empilement de couches de cuivre (20), et deux branches (b, b'') à chaque extrémité de la plaque s’étendant au travers de l’épaisseur de l’empilement jusqu’au deuxième corps (6) à travers des ouvertures dans l’empilement.
- Transformateur planaire de puissance (1) selon la revendication 2, dans lequel le circuit magnétique (3) est à entrefer (13), au moins le premier corps (5) comprenant une branche médiane (b’) parallèle entre les deux branches d’extrémité (b, b''), ladite branche médiane (b’) étant espacée du deuxième corps (6) définissant une épaisseur d’entrefer (13), l’empilement de couches de cuivre (20) comprenant une troisième couche diélectrique (10m) alignée et de même épaisseur que l’entrefer (13), réalisée dans le même matériau que la première couche diélectrique (10a), la troisième couche diélectrique (10m) formant une couche de ségrégation de flux entre les ensembles d’enroulement primaires (7) et les ensembles d’enroulement secondaires (8) de l’empilement.
- Transformateur planaire de puissance (1) selon l’une quelconque des revendications 2 à 4, dans lequel le circuit magnétique (3) a une forme en double E, les premiers et deuxièmes corps (5, 6) étant de même forme, à trois branches (b, b’, b''), les deux branches médianes (b’) en vis-à-vis étant à distance prédéterminée définissant l’épaisseur.
- Transformateur planaire de puissance (1) selon l’une quelconque des revendications 2 à 5, dans lequel les réhausseurs sont utilisés comme plots de report en surface du transformateur (1) sur des plages de brasages disposés sur la carte de circuit imprimé (4).
- Transformateur planaire de puissance (1) selon l’une quelconque des revendications 2 à 5, reporté et connecté sur la carte de circuit imprimé par des broches (14).
- Transformateur planaire de puissance (1) selon l’une quelconque des revendications 4 à 7, dans lequel le circuit imprimé (2) comprend une dernière couche diélectrique (10b) par-dessus l’empilement de couches de cuivre (20), réalisée dans le même matériau que la première couche diélectrique dure (10a).
- Transformateur planaire de puissance (1) selon la revendication 8, dans lequel la dernière couche diélectrique (10b) comporte des plages de connexion permettant de reporter en surface des composants actifs ou passifs, petits devant les dimensions du transformateur (1).
- Transformateur planaire de puissance (1) selon la revendication 8 ou 9, dans lequel la troisième (10m) et la dernière couche de diélectrique (10b) sont réalisées en résine époxy renforcée de fibres de verre, les deuxièmes couches diélectriques (9) étant réalisées en matériau polyimide.
- Convertisseur statique de puissance pour un calculateur de système embarqué, comportant au moins un transformateur planaire de puissance (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 10.
- Aéronef comportant un calculateur de système embarqué comportant un convertisseur statique de puissance selon la revendication 11.
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| US5521573A (en) * | 1994-08-24 | 1996-05-28 | Yokogawa Electric Corporation | Printed coil |
| US5659461A (en) * | 1994-06-30 | 1997-08-19 | Yokogawa Electric Corporation | Switching power supply using printed coil type transformer |
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-
2021
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| US8427267B1 (en) * | 2009-06-29 | 2013-04-23 | VI Chip, Inc. | Encapsulation method and apparatus for electronic modules |
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