FR3134223A1 - Power transformer with high galvanic isolation - Google Patents
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Abstract
Transformateur de puissance à forte isolation galvanique Transformateur de puissance (10) comportant un premier noyau magnétique fermé (12) ayant des première (12A) et seconde (12B) colonnes, un second noyau magnétique fermé (14) ayant des première et seconde colonne (14B) et séparé du premier noyau magnétique fermé par un écran isolant (16), un premier enroulement (22) entourant la première colonne du premier noyau magnétique fermé, un second enroulement (24) entourant la seconde colonne du second noyau magnétique fermé, et un enroulement supplémentaire fermé (26) entourant à la fois la seconde colonne du premier noyau magnétique fermé, la première colonne du second noyau magnétique fermé et l’écran isolant. Figure pour l’abrégé : Fig. 1.Power transformer with high galvanic isolation Power transformer (10) comprising a first closed magnetic core (12) having first (12A) and second (12B) columns, a second closed magnetic core (14) having first and second columns ( 14B) and separated from the first closed magnetic core by an insulating screen (16), a first winding (22) surrounding the first column of the first closed magnetic core, a second winding (24) surrounding the second column of the second closed magnetic core, and an additional closed winding (26) surrounding both the second column of the first closed magnetic core, the first column of the second closed magnetic core and the insulating screen. Figure for abstract: Fig. 1.
Description
La présente invention se rapporte au domaine de la conversion de puissance électrique dans les aéronefs aussi bien pour la génération électrique des réseaux de bord que pour la propulsion électrique des aéronefs et elle concerne plus tout autant la conversion de forte puissance électrique de la Haute Tension continue (HVDC) vers la Basse Tension continue (LVDC) dans la propulsion électrique que la conversion de petite puissance électrique pour alimenter les éléments de commutation solide de type MOSFET dans le réseau de bord.The present invention relates to the field of electrical power conversion in aircraft both for the electrical generation of on-board networks and for the electric propulsion of aircraft and it relates more equally to the conversion of high electrical power from DC High Voltage. (HVDC) to Low Voltage DC (LVDC) in electric propulsion as the conversion of small electrical power to power solid MOSFET type switching elements in the on-board network.
La
Le corps magnétique fermé 32 peut être de formes diverses, mais il est souvent constitué d’un assemblage de tôles standardisé avec deux colonnes unies par deux culasses (par opposition au transformateur monophasé cuirassé à trois colonnes), et selon la configuration adoptée, les bobinages traversant la fenêtre centrale 38 peuvent être disposés sur chaque colonne, de part et d’autre du corps magnétique fermé comme illustré, ou l’un sur l’autre par exemple.The closed magnetic body 32 can be of various shapes, but it is often made up of a standardized assembly of sheets with two columns united by two yokes (as opposed to the armored single-phase transformer with three columns), and depending on the configuration adopted, the windings passing through the central window 38 can be arranged on each column, on either side of the closed magnetic body as illustrated, or one on top of the other for example.
Les enroulements de cuivre qui forment les bobinages 32, 34 sont constitués de fils de cuivre de constructions divers, comme des fils monobrins, des fils multibrins, des fils de Litz, des méplats, etc….The copper windings which form the windings 32, 34 are made up of copper wires of various constructions, such as single-strand wires, multi-strand wires, Litz wires, flats, etc.
Comme il est connu, le courant passant dans les enroulements de cuivre du primaire du transformateur génère un flux magnétique ϕmdans le corps magnétique fermé. Ce flux magnétique à son tour génère un courant dans les enroulements de cuivre du secondaire. C’est par ce principe que l’énergie électrique est transmise du primaire au secondaire.As is known, the current passing through the copper windings of the transformer primary generates a magnetic flux ϕ m in the closed magnetic body. This magnetic flux in turn generates a current in the copper windings of the secondary. It is by this principle that electrical energy is transmitted from primary to secondary.
La valeur du flux magnétique ϕmest proportionnelle au carré de la valeur du courant traversant l’enroulement primaire et au nombre de spires Np de cet enroulement primaire. La valeur du courant secondaire est inversement proportionnelle à la valeur du flux magnétique ϕmqui traverse l’enroulement secondaire, et au nombre de spires Ns de l’enroulement secondaire. Il en résulte que la valeur du courant secondaire est directement proportionnelle à la valeur du courant primaire, au ratio des nombres de spires primaire et secondaire constituant le rapport de transformation du transformateur.The value of the magnetic flux ϕ m is proportional to the square of the value of the current passing through the primary winding and to the number of turns Np of this primary winding. The value of the secondary current is inversely proportional to the value of the magnetic flux ϕ m which passes through the secondary winding, and to the number of turns Ns of the secondary winding. As a result, the value of the secondary current is directly proportional to the value of the primary current, to the ratio of the number of primary and secondary turns constituting the transformation ratio of the transformer.
Afin de garantir une isolation galvanique minimale, les enroulements de cuivre comportent tous un enrobage de résine, formant isolant électrique, indispensable par éviter les courts-circuits entre les spires. Et lorsque l’on désire renforcer cette isolation galvanique, on vient rajouter un isolant entre les enroulements de cuivre et le corps magnétique fermé, et entre les enroulements primaire et secondaire selon leur disposition.In order to guarantee minimal galvanic isolation, the copper windings all have a resin coating, forming an electrical insulator, essential to avoid short circuits between the turns. And when we want to reinforce this galvanic insulation, we add an insulator between the copper windings and the closed magnetic body, and between the primary and secondary windings depending on their arrangement.
Cette structure de transformateur monophasé standard donne globalement satisfaction. Toutefois, dans le domaine aéronautique, elle n’est pas sans inconvénients. En effet, s’il y a un problème quelconque sur un enroulement, par exemple un court-circuit qui fait fondre l’enroulement en question ainsi que les isolants qui maintenaient à distance l’enroulement et le corps magnétique, alors un contact électrique s’établit entre l’enroulement en défaut et le corps magnétique, et comme le corps magnétique est généralement aussi conducteur électrique, ce défaut peut se retrouver de l’autre côté de la barrière d’isolation galvanique, rompant cette isolation galvanique et entrainant une possibilité de propagation du défaut, qui peut être particulièrement préjudiciable pour la propulsion électrique ou le réseau de bord ou de l’aéronef. Ce problème est aussi présent lorsque que le corps magnétique est en ferrite car ce matériau n’est pas nécessairement un bon isolant face aux tensions élevées requises pour la propulsion électrique ou hybride des aéronefs.This standard single-phase transformer structure is generally satisfactory. However, in the aeronautical field, it is not without its drawbacks. Indeed, if there is any problem on a winding, for example a short circuit which melts the winding in question as well as the insulators which kept the winding and the magnetic body apart, then an electrical contact establishes between the faulty winding and the magnetic body, and as the magnetic body is generally also an electrical conductor, this fault can be found on the other side of the galvanic isolation barrier, breaking this galvanic isolation and leading to a possibility propagation of the fault, which can be particularly harmful for the electric propulsion or the on-board or aircraft network. This problem is also present when the magnetic body is made of ferrite because this material is not necessarily a good insulator when faced with the high voltages required for the electric or hybrid propulsion of aircraft.
Aussi, il est connu, pour renforcer l’isolation de rajouter, relié à la masse électrique, un écran conducteur entre primaire et secondaire connu sous le nom d’écran de Faraday. Toutefois, un tel transformateur dit de séparation ou d’isolement réduit notablement la fenêtre centrale de bobinage et présente en outre des difficultés de réalisation.Also, it is known, to reinforce the insulation, to add, connected to the electrical ground, a conductive screen between primary and secondary known as a Faraday screen. However, such a so-called separation or isolation transformer significantly reduces the central winding window and also presents manufacturing difficulties.
La présente invention a donc pour but principal de limiter, voire de supprimer, le risque de propagation de défauts électriques entre le primaire et le secondaire d’un transformateur électrique dans un environnement aéronautique. Un autre but est de limiter les éléments parasite de type capacitif lié à la construction du transformateur et qui, dans le cas d’application de commutation de puissance, peuvent générer des perturbations électromagnétiques.The main aim of the present invention is therefore to limit, or even eliminate, the risk of propagation of electrical faults between the primary and secondary of an electrical transformer in an aeronautical environment. Another goal is to limit parasitic capacitive elements linked to the construction of the transformer and which, in the case of power switching applications, can generate electromagnetic disturbances.
Ces buts sont atteints par un transformateur de puissance comportant un premier noyau magnétique fermé ayant une première et une seconde colonne, un second noyau magnétique fermé ayant une première et une seconde colonne et séparé du premier noyau magnétique fermé par un écran isolant, un premier enroulement entourant la première colonne du premier noyau magnétique fermé, un second enroulement entourant la seconde colonne du second noyau magnétique fermé, et un enroulement supplémentaire fermé entourant à la fois la seconde colonne du premier noyau magnétique fermé, la première colonne du second noyau magnétique fermé et l’écran isolant.These goals are achieved by a power transformer comprising a first closed magnetic core having a first and a second column, a second closed magnetic core having a first and a second column and separated from the first closed magnetic core by an insulating screen, a first winding surrounding the first column of the first closed magnetic core, a second winding surrounding the second column of the second closed magnetic core, and an additional closed winding surrounding both the second column of the first closed magnetic core, the first column of the second closed magnetic core and the insulating screen.
Ainsi, par cette structure particulière, il est possible d’augmenter l’isolation galvanique sans ajout d’écran conducteur, et en supprimant un chemin conducteur potentiel de propagation de défauts électriques, de réduire le risque de propagation d’une panne et de la voir se transformer en événement catastrophique pour l’aéronef.Thus, by this particular structure, it is possible to increase the galvanic isolation without adding a conductive screen, and by removing a potential conductive path for the propagation of electrical faults, to reduce the risk of propagation of a breakdown and the see it turn into a catastrophic event for the aircraft.
De préférence, l’enroulement supplémentaire fermé comporte une seule spire.Preferably, the additional closed winding has a single turn.
Avantageusement, l’enroulement supplémentaire fermé est constitué d’une seule feuille de cuivre.Advantageously, the additional closed winding consists of a single sheet of copper.
De préférence, l’écran isolant est une simple plaque d’un matériau isolant comme une résine époxy ou polypropylène ou encore un film de Kapton®.Preferably, the insulating screen is a simple plate of an insulating material such as an epoxy or polypropylene resin or even a Kapton® film.
Avantageusement, les noyaux magnétiques fermés présentent l’une des configurations suivantes : C et C, C et I, L et L inversé.Advantageously, the closed magnetic cores have one of the following configurations: C and C, C and I, L and inverted L.
L’invention concerne également des convertisseurs de tensions et un réseau de distribution électrique d’aéronef comportant au moins un transformateur de puissance tel que précité.The invention also relates to voltage converters and an aircraft electrical distribution network comprising at least one power transformer as mentioned above.
D’autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins annexés qui en illustrent un exemple de réalisation dépourvu de tout caractère limitatif et sur les lesquels :Other characteristics and advantages of the present invention will emerge from the description given below, with reference to the appended drawings which illustrate an exemplary embodiment devoid of any limiting character and in which:
Le principe de l’invention reprend le principe de base du transformateur permettant de réaliser un transfert d’énergie électrique entre un enroulement primaire et un enroulement secondaire via un couplage magnétique mais avec un enroulement intermédiaire supplémentaire se rebouclant sur lui-même et autour d’un écran isolant, créant un couplage magnétique isolé électriquement empêchant toute propagation de défauts électriques. On pourrait penser que cet enroulement intermédiaire ferait perdre au transformateur une grande partie de ses propriétés électromagnétiques. Au contraire, on peut en tirer un avantage si on introduit dans cette boucle centrale le circuit magnétique du secondaire.The principle of the invention takes up the basic principle of the transformer making it possible to carry out a transfer of electrical energy between a primary winding and a secondary winding via magnetic coupling but with an additional intermediate winding looping back on itself and around an insulating screen, creating an electrically isolated magnetic coupling preventing any propagation of electrical faults. One might think that this intermediate winding would cause the transformer to lose a large part of its electromagnetic properties. On the contrary, we can gain an advantage if we introduce the secondary magnetic circuit into this central loop.
Un transformateur de puissance 10 conforme à l’invention est illustré en coupe à la
Autour de la première colonne 12A du premier demi corps de transformateur est enroulé un premier enroulement, ou enroulement primaire 22, destiné à être alimenté par un courant primaire Ip depuis une source (typiquement une batterie ou un hacheur de tension continue) et autour de la seconde colonne 14B du second demi corps de transformateur est enroulé un second enroulement, ou enroulement secondaire 24, destiné à délivrer un courant secondaire Is pour une utilisation (typiquement un convertisseur DC/DC ou DC/AC). Selon l’invention, un enroulement central supplémentaire 26 destiné à être parcouru par un courant Ic entoure à la fois la seconde colonne 12B du premier demi corps de transformateur, la première colonne 14A du second demi corps de transformateur, et l’écran isolant 16 qui sépare ces deux colonnes avec lesquels il est en contact. Selon les contraintes environnementales, thermiques et/ou vibratoires auxquelles le produit sera soumis, ainsi que les coûts possibles, ce contact pourra être obtenu par un simple collage ou par un boulonnage par exemple.Around the first column 12A of the first half transformer body is wound a first winding, or primary winding 22, intended to be supplied by a primary current Ip from a source (typically a battery or a DC voltage chopper) and around the second column 14B of the second half transformer body is wound with a second winding, or secondary winding 24, intended to deliver a secondary current Is for use (typically a DC/DC or DC/AC converter). According to the invention, an additional central winding 26 intended to carry a current Ic surrounds both the second column 12B of the first half transformer body, the first column 14A of the second half transformer body, and the insulating screen 16 which separates these two columns with which it is in contact. Depending on the environmental, thermal and/or vibrational constraints to which the product will be subjected, as well as the possible costs, this contact can be obtained by simple gluing or by bolting for example.
La
L’homme du métier saura effectuer le dimensionnement de l’enroulement central en considération de l’intégration recherchée et de la faisabilité souhaitée du transformateur. En considérant la conservation des flux magnétiques, le rapport du nombre de spires entre les enroulements est inversement proportionnel aux courants qui traversent ces spires : Ip*Np=Ic*Nc et Ic*Nc=Is*Ns. S’il prend en considération les pertes par effet joule dans ces enroulements, il sera préférable d’avoir le plus de spires possible dans l’enroulement central, afin de diminuer le courant, étant donné que les pertes par effet joule sont proportionnelles au carré du courant. Mais inversement, s’il prend en considération l’aspect industriel de la fabrication de cet enroulement, il sera préférable d’avoir peu de spire car il évite toute perte d’espace dans les fenêtres de bobinage (ce qui permet d’avoir un ratio surface de bobinage/surface de cuivre utile faible), et en pratique l’organisation d’un enroulement avec beaucoup de spires ne se fait pas de façon aisé. A l’extrême, cet enroulement central sera formé d’une seule feuille de cuivre entourant à la fois la seconde colonne 12B, l’écran isolant 16 et la première colonne 14A.A person skilled in the art will know how to dimension the central winding taking into account the desired integration and the desired feasibility of the transformer. Considering the conservation of magnetic fluxes, the ratio of the number of turns between the windings is inversely proportional to the currents passing through these turns: Ip*Np=Ic*Nc and Ic*Nc=Is*Ns. If it takes into consideration the joule losses in these windings, it will be preferable to have as many turns as possible in the central winding, in order to reduce the current, given that the joule losses are proportional to the square current. But conversely, if it takes into consideration the industrial aspect of the manufacturing of this winding, it will be preferable to have few turns because it avoids any loss of space in the winding windows (which makes it possible to have a low winding surface/useful copper surface ratio), and in practice the organization of a winding with many turns is not easy. In the extreme, this central winding will be formed of a single copper sheet surrounding both the second column 12B, the insulating screen 16 and the first column 14A.
Le fonctionnement de l’invention est le suivant. Le courant Ip passant dans l’enroulement primaire 22 du transformateur génère un flux magnétique ϕmpdans le noyau magnétique fermé 12 du premier transformateur. Ce flux magnétique génère à son tour le courant Ic dans l’enroulement central 26 de cuivre qui entoure l’écran isolant 16. Ce courant Ic qui parcourt l’enroulement en court-circuit va alors générer dans le noyau magnétique fermé 14 du second transformateur un nouveau flux magnétique ϕmsqui, à son tour, va générer le courant Is passant dans l’enroulement secondaire. C’est par ce principe que l’énergie électrique est transmise de façon isolée du primaire au secondaire. Le flux magnétique dans le secondaire ϕmsest identique au flux magnétique dans le primaire ϕmpsi les deux noyaux magnétiques ont les mêmes propriétés (mécanique, et magnétique). La valeur du courant secondaire Is est alors directement proportionnelle à la valeur du courant primaire Ip, au ratio des nombres de spires primaire Np et secondaire Ns constituant le rapport de transformation du transformateur de puissance.The operation of the invention is as follows. The current Ip passing in the primary winding 22 of the transformer generates a magnetic flux ϕ mp in the closed magnetic core 12 of the first transformer. This magnetic flux in turn generates the current Ic in the central copper winding 26 which surrounds the insulating screen 16. This current Ic which travels through the short-circuit winding will then generate in the closed magnetic core 14 of the second transformer a new magnetic flux ϕ ms which, in turn, will generate the current Is passing in the secondary winding. It is by this principle that electrical energy is transmitted in isolation from primary to secondary. The magnetic flux in the secondary ϕ ms is identical to the magnetic flux in the primary ϕ mp if the two magnetic cores have the same properties (mechanical and magnetic). The value of the secondary current Is is then directly proportional to the value of the primary current Ip, to the ratio of the number of turns primary Np and secondary Ns constituting the transformation ratio of the power transformer.
En plaçant un écran isolant 16 entre les deux noyaux magnétiques 12, 14, on rompt le lien électrique direct entre le primaire et le secondaire qui était créé par le corps magnétique lui-même ou par la disposition particulière des enroulements primaire et secondaire et on s’affranchit de l’écran de Faraday de l’art antérieur. L’enroulement central étant isolé électriquement, il ne subit pas de perturbations amenant à la dégradation de sa propre isolation, et l’isolation galvanique du transformateur de puissance est maintenue.By placing an insulating screen 16 between the two magnetic cores 12, 14, we break the direct electrical link between the primary and the secondary which was created by the magnetic body itself or by the particular arrangement of the primary and secondary windings and we frees the Faraday screen from the prior art. The central winding being electrically isolated, it does not suffer from disturbances leading to the degradation of its own insulation, and the galvanic isolation of the power transformer is maintained.
L’invention trouve application dans le réseau de distribution de bord des aéronefs pour transférer de la puissance basse tension à destination de capteurs, par exemple dans le cas d’un convertisseur de tensions 28V vers 28V dans une zone de basse tension mécaniquement ségréguée d’une zone de haute tension ou encore d’un convertisseur de tensions 15V vers 15V servant à alimenter des interrupteurs de commutation statique, de type MOSFET ou IGBT, qui sont mis en œuvre dans des onduleurs de puissance ou des commutateurs statiques de puissance.The invention finds application in the on-board distribution network of aircraft to transfer low voltage power to sensors, for example in the case of a 28V to 28V voltage converter in a mechanically segregated low voltage zone. a high voltage zone or even a 15V to 15V voltage converter used to power static switching switches, of the MOSFET or IGBT type, which are implemented in power inverters or static power switches.
La partie contrôle de ces interrupteurs de puissance est généralement dans une zone basse tension, et pour alimenter et transférer l’information de commande de ces interrupteurs, toujours dans une volonté de limiter le risque de propagation électrique de la haute tension vers la basse tension, il est avantageux de recourir au transformateur de puissance de l’invention.The control part of these power switches is generally in a low voltage zone, and to power and transfer the control information of these switches, always with a desire to limit the risk of electrical propagation from high voltage to low voltage, it is advantageous to use the power transformer of the invention.
Dans le cas de systèmes redondés, notamment propulsifs, pour des aspects de sureté de ces systèmes, les convertisseurs 800V (réseau HVDC) vers 28V (réseau LVDC) ont besoin d’une forte isolation pour ne pas propager de défaut de la haute tension vers la basse tension.In the case of redundant systems, particularly propulsion systems, for safety aspects of these systems, the 800V (HVDC network) to 28V (LVDC network) converters need strong insulation so as not to propagate a high voltage fault to low voltage.
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