FR3132378A1 - Dispositif magnétique intégré - Google Patents

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Abstract

La présente invention concerne dispositif magnétique intégré (10) comportant au moins trois bobines (11, 12, 13) formées chacune d’au moins un enroulement (111, 112, 113, 111’, 112’, 113’) autour d’une colonne (121, 122, 123) en ferrite, les bobines (11, 12, 13) étant disposées de façon à former un triangle équilatéral, le dispositif comportant un élément (20) central en ferrite disposé entre les trois bobines (11 12, 13). Figure pour l’abrégé : Fig. 2.

Description

Dispositif magnétique intégré
La présente invention concerne un dispositif magnétique intégré, et notamment un dispositif magnétique intégré, également appelé transformateur, pour convertisseur résonnant triphasé.
Plus particulièrement, l’invention trouve des applications dans le domaine des systèmes hautes tensions qui sont supérieures à 60V.
Les convertisseurs résonnants triphasés sont des circuits électroniques comportant parfois des transformateurs.
Ils sont souvent utilisés dans par exemple des applications de charge de batterie en raison de leur rendement élevé, de leur large plage de tension, de leur faible ondulation de courant et de leur capacité de puissance élevée.
Les composant magnétiques, tels que les transformateurs, intégrés dans les convertisseurs sont ainsi essentiels aux performances des convertisseurs car ils définissent leur puissance.
Il est déjà connu des transformateurs triphasés comportant trois bobines formées d’un enroulement autour d’une colonne ou noyau en ferrite disposés dans un même plan dans un boitier en aluminium. Ce type de transformateur présente plusieurs inconvénients limitant ces performances. Ces inconvénients sont des chutes inductances élevées lorsque le transformateur est disposé dans le boitier en aluminium, des courants déséquilibrés, une fréquence de résonance non uniforme, et des pertes élevées dans le boitier en aluminium.
Il existe des solutions pour essayer d’améliorer ces transformateurs.
Le brevet US10186974B2 décrit un transformateur comportant deux branches de ferrites supplémentaires disposées de parts et d’autres des bobines des extrémités. L’ajout de ces deux ferrites augmentent le volume magnétique du transformateur et les pertes restent encore élevées dans le boitier.
Le brevet CN212010657U décrit un transformateur avec des plaques magnétiques supplémentaires entourant les bobines. L’ajout de ces plaques augmentent le volume magnétique du transformateur et il reste des courants déséquilibrés.
La présente invention a donc pour objet de pallier un ou plusieurs des inconvénients des dispositifs de l’art antérieur en proposant un dispositif magnétique intégré configuré pour limiter la chute de la valeur des inductances dans le boitier en aluminium, des courants déséquilibrés et une fréquence de résonance non uniforme, et des pertes élevées dans le boitier en aluminium.
Pour cela la présente invention propose un dispositif magnétique intégré comportant au moins trois bobines formées chacune d’au moins un enroulement autour d’une colonne en ferrite, les bobines étant disposées de façon à former un triangle équilatéral, le dispositif comportant un élément central en ferrite disposé entre les trois bobines.
Cette élément central avec branche permet un flux continu avec de faible pertes de ferrite.
Selon un mode de réalisation de l’invention, l’élément centrale à une hauteur H égale à la hauteur h d’une bobine.
Selon un mode de réalisation de l’invention, les trois colonnes ont chacune au moins un entrefer.
Selon un mode de réalisation de l’invention, l’élément en ferrite n’a pas d’entrefer.
La partie centrale n’ayant pas d'entrefer, les phases sont découplées, cela signifie que le flux généré par une phase n’est pas lié par les autres phases.
Selon un mode de réalisation de l’invention, l’élément en ferrite comporte une partie centrale en forme de pilier à partir de laquelle s’entendent trois branches.
Selon un mode de réalisation de l’invention, la forme des branches est adaptée pour s’insérer entre les bobines.
Selon un mode de réalisation de l’invention, l’extrémité de chaque branche est plane.
Selon un mode de réalisation de l’invention, un deuxième élément en ferrite de forme triangulaire est disposé sur la face supérieure de l’élément centrale en ferrite.
Selon un mode de réalisation de l’invention, un troisième élément en ferrite de forme triangulaire est disposé sur la face inférieure de l’élément en ferrite.
L’invention concerne également l’utilisation du dispositif selon l’invention dans un véhicule automobile.
D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris et apparaîtront plus clairement à la lecture de la description faite, ci-après, en se référant aux figures annexées, données à titre d'exemple et dans lesquelles:
- la représente l'architecture de puissance d'un convertisseur de type CLLLC,
- la est une représentation schématique d’une vue en élévation du dispositif magnétique intégré selon un mode de réalisation de l'invention,
- la est une représentation schématique d’une vue en élévation de l’élément centrale du dispositif magnétique intégré selon un mode de réalisation de l'invention,
- la est une représentation en coupe d’un dispositif selon l’invention avec un boitier aluminium,
- la est schéma du circuit magnétique du dispositif selon un mode de réalisation de l'invention.
L’invention concerne un dispositif magnétique intégré.
Selon un mode de réalisation de l‘invention, ce dispositif magnétique est un transformateur pour convertisseur de tension résonnant triphasés. Le convertisseur de de tension résonnant triphasé est de type LLC, CLLC, CLLLC, LC ou CLC. L’architecture de puissance d'un convertisseur de type CLLLC est illustré sur la .
La illustre un dispositif magnétique 10 intégré selon l’invention.
Le dispositif magnétique 10 comporte au moins trois bobines 11, 12, 13 formées chacune d’au moins un enroulement primaire 111, 112, 113 et un enroulement secondaire 111’, 112’, 113’ autour d’une colonne ou noyau 121, 122, 123 en ferrite
Selon un mode de réalisation de l’invention, ces trois colonnes 121, 122, 123 ont chacune au moins un entrefer.
Le dispositif magnétique selon l’invention a une géométrie triangulaire. C’est-à-dire que les 3 bobines sont disposées de façon à former un triangle équilatéral. Plus précisément chaque bobine est disposée au niveau de l’arrête d’un triangle.
Le fait que la disposition soit selon un triangle équilatérale permet équilatéral permet de garantir un équilibrage entre les paramètres électriques tels que les inductances de chaque bobine et réduire le volume magnétique.
Dans le cadre de l’invention le dispositif comporte un élément 20 centrale en ferrite disposé entre les trois bobines 11 12, 13 visible en détail . Cet élément 20 centrale n’a pas d’entrefer.
L’élément central 20 sans entrefer permet de découpler les phases et équilibrer les fuites d’inductances. Cet élément 20 permet également de concentrer le flux magnétique de fuite à l’intérieur du transformateur.
Selon un mode de réalisation de l’invention, l’élément 20 à une hauteur H égale à la hauteur h d’une bobine 11, 12, 13. La hauteur h d’une bobine est définie par la distance entre ses deux extrémités.
Selon un mode de réalisation de l’invention, l’élément 20 en ferrite comporte une partie centrale 24 en forme de pilier à partir de laquelle s’entendent trois branches 21, 22, 23.
La forme des branches est adaptée pour s’insérer entre les bobines. C’est-à-dire que chaque branche comporte deux cotés arrondis dont les contours suivent la forme d’une bobine. Les côtés de deux branches contiguës forment une courbe 220, 230, 240 qui suit le contour d’une bobine 11, 12, 13.
Cette élément central (20) avec branche permet un flux continu avec de faible pertes de ferrite.
Selon un mode de réalisation de l’invention, l’extrémité 211, 212, 213 de chaque branche 11, 12, 13 est plate. C’est-à-dire que chaque extrémité forme un plan plat dans le sens de la hauteur H.
Selon un mode de réalisation de l’invention un deuxième élément 40 en ferrite de forme triangulaire est disposé sur la face supérieure de l’élément 20 en ferrite, c’est-à-dire celle disposée dans le plan de la face supérieur des bobines.
Selon un mode de réalisation de l’invention, un troisième élément 50 en ferrite de forme triangulaire est disposé sur la face inférieure de l’élément 20 en ferrite, c’est-à-dire celle disposée dans le plan de la face inférieure des bobines.
Le terme supérieur est défini par opposition au terme inférieur, chacun des termes représentant respectivement une des deux extrémités des bobines.
Selon un mode de réalisation de l’invention, les arrêtes des deuxième 40 et troisième 50 éléments sont vives ou arrondies.
Selon un mode de réalisation de l’invention, le dispositif magnétique 10 est disposé dans un boitier en aluminium 60 illustré .
L’élément centrale 20 n'ayant pas d'entrefer, les phases sont découplées, cela signifie que le flux généré par une phase n’est pas lié par les autres phases. Sous cette hypothèse, il est possible d’analyser le dispositif 10 avec le circuit magnétique sur la .
Dans ce circuit Rc est le matériau magnétique, par exemple la ferrite, la réluctance, Rg est la réluctance de l'entrefer, Rw est la réluctance de la fenêtre de bobinage, Np1 est le nombre de spires dans phase primaire 1, Ns1 est le nombre de spires dans la phase secondaire 1, Ip1 est le courant primaire dans la phase 1 et Is1 est le courant secondaire dans la phase 1.
Si l'on considère que la réluctance du matériau magnétique est négligeable, les circuits magnétiques équivalents peuvent être dérivées, on peut calculer l'inductance magnétique, la fuite d'inductance côté primaire et la fuite d’inductance côté secondaire selon les formules suivantes:
Les résultats pour un dispositif selon l’invention sont les suivants.
Np/Ns=12/10 Llkg-p1 (µH) Llkg-p2 (µH) Llkg-p3 (µH)
Inductance du dispositif magnétique sans boitier aluminium
4,64
4,60
4,64
Inductance du dispositif magnétique dans un boitier aluminium
4,44
4,51
4,50
Perte d’inductance % 4,3 1,9 2,8
Comme l’illustre ces résultats, un dispositif magnétique intégré selon l’invention permet d’avoir des inductances avec des valeurs qui ne chute pas avec l’utilisation du boitier en aluminium. En effet, la chute d'inductance est toujours inférieure à 5% à l’intérieur du boitier en aluminium.
Avec un tel dispositif, il est également observé que la densité de flux magnétique dans l’élément centrale 20 a une valeur presque continue et, par conséquent, des pertes par hystérésis très faibles.
Selon une variante de l’invention, les angles de l’élément central 20 sont agrandis pour augmenter la fuite d’inductance.
Selon une autre variante de l’invention, le dispositif comporte une quatrième bobine pour permettre une sortie basse tension, pour par exemple une utilisation dans un OBC/DCDC.
L’invention concerne également un convertisseur résonnant triphasé comportant un dispositif magnétique selon l’invention.
L’invention concerne également l’utilisation du convertisseur résonnant triphasé selon l’invention dans un véhicule thermique, électrique ou hybride.
La portée de la présente invention ne se limite pas aux détails donnés ci-dessus et permet des modes de réalisation sous de nombreuses autres formes spécifiques sans s'éloigner du domaine d'application de l'invention. Par conséquent, les présents modes de réalisation doivent être considérés à titre d'illustration, et peuvent être modifiés sans toutefois sortir de la portée définie par les revendications.

Claims (10)

  1. Dispositif magnétique intégré (10) comportant au moins trois bobines (11, 12, 13) formées chacune d’au moins un enroulement (111, 112, 113, 111’, 112’, 113’) autour d’une colonne (121, 122, 123) en ferrite, les bobines (11, 12, 13) étant disposées de façon à former un triangle équilatéral,
    caractérisé en ce qu’il comporte un élément (20) central en ferrite disposé entre les trois bobines (11 12, 13).
  2. Dispositif magnétique intégré (10) selon la revendication 1, dans lequel l’élément (20) centrale à une hauteur H égale à la hauteur h d’une bobine (11, 12, 13).
  3. Dispositif magnétique intégré 10 selon une des revendication 1 ou 2, dans lequel les trois colonnes (121, 122, 123) ont chacune au moins un entrefer.
  4. Dispositif magnétique intégré (10) selon une des revendications 1 à 3, dans lequel l’élément (20) en ferrite n’a pas d’entrefer.
  5. Dispositif magnétique intégré (10) selon une des revendication 1 à 4, dans lequel l’élément (20) en ferrite comporte une partie centrale (24) en forme de pilier à partir de laquelle s’entendent trois branches (21, 22, 23).
  6. Dispositif magnétique intégré (10) selon la revendication 5, dans lequel la forme des branches (21, 22, 23) est adaptée pour s’insérer entre les bobines (11, 12, 13).
  7. Dispositif magnétique intégré (10) selon une des revendications 5 ou 6, dans lequel l’extrémité (211, 212, 213) de chaque branche (11, 12, 13) est plane.
  8. Dispositif magnétique intégré (10) selon une des revendications 1 à 7, dans lequel un deuxième élément (40) en ferrite de forme triangulaire est disposé sur la face supérieure de l’élément (20) centrale en ferrite.
  9. Dispositif magnétique intégré (10) selon une des revendications 1 à 8, dans lequel un troisième élément (50) en ferrite de forme triangulaire est disposé sur la face inférieure de l’élément (20) en ferrite.
  10. Utilisation du dispositif (10) selon une des revendications 1 à 9 dans un véhicule automobile.
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