Réduction combinaison de formes de des pertes cuivre par spires

Réduction combinaison de formes de des pertes cuivre par spires

Noyaux planar EE vs planar ER

Comme nous l’avons vu dans le chapitre 1, les noyaux planar sont disponibles en matériaux ferrites dont les propriétés varient en fonction de leur composition chimique [20]. Parmi les quatre types de noyaux pouvant être utilisés en technologie planar (EE, ER, EQ et PQ, cf. Figure 1.15) les deux noyaux pouvant correspondre à des applications de plusieurs kilowatt, tout en garantissant une densité de puissance importante, sont les noyaux de type planar EE et planar ER.

Afin de comparer ces deux types de noyaux, deux transformateurs à deux enroulements sont dimensionnés pour une puissance maximale de 5kW, avec les mêmes contraintes électriques :  Type de convertisseur : Triple Active Bridge (DC/DC)  Tension primaire : 540Veff  Courant primaire : 8.6Aeff  Fréquence : 100kHz  Rapport de transformation : 0.05

Pour une telle puissance et cette gamme de fréquence, les seuls noyaux magnétiques utilisables sont les plus volumineux de chaque famille. Ainsi, chez Ferroxcube [21], seuls les noyaux EE64 et ER64 (cf. Tableau 1.4) peuvent être utilisés. A noter que pour ces noyaux ferrites, le 64 correspond à la largeur du circuit magnétique en mm. La Figure 3.1 compare la géométrie de ces deux transformateurs planar en précisant leurs dimensions et le type d’enroulement associé.

Sans détailler la partie dimensionnement des deux transformateurs, ces derniers sont modélisés par éléments finis 3-D à l’aide de l’outil Maxwell 3D [32]. Pour la puissance maximale, les résultats de simulation sont comparés en termes de pertes cuivre (pertes majoritaires), de masse et de volume du noyau magnétique. Les différentes valeurs sont listées dans le Tableau 3.1.

Dans ce tableau, les valeurs pénalisantes sont marquées en couleur rouge tandis que celles plus favorables apparaissent en vert. On peut constater que pour des mêmes conditions de fonctionnement, les pertes cuivre sont différentes dans les deux transformateurs. Ces dernières sont plus importantes pour le transformateur de type EE. Cette différence s’explique notamment par la forme des spires qui tournent à angles droits autour du noyau magnétique.

Ce type d’enroulement conduit à une plus grande longueur de spires et donc à une résistance plus importante que dans le cas ER où les enroulements tournent de manière circulaire autour de la jambe centrale ronde (Figure 3.1). Si la comparaison s’arrêtait là, le noyau ER64 semblerait, d’emblée, le plus intéressant. Cependant, dans le contexte de l’industrie aéronautique, l’augmentation de la densité de puissance du convertisseur est un point clé.

En plus du critère faible pertes, le transformateur doit donc avoir une masse et un volume les plus faibles possibles. Or, ces deux contraintes pénalisent le noyau ER64 (Tableau 3.1) puisque sa masse (cuivre compris) est supérieure d’environ 20% par rapport au noyau EE, tandis que son volume l’est de 15%. Ces critères redonnent ainsi de l’intérêt au noyau EE64. Par la suite, la forme EE sera donc privilégiée, l’objectif étant de chercher à réduire ses pertes cuivre, puisque ce paramètre désavantage ce format de noyau. 

Combinaison de formes de spires : Présentation des cas tests

En partant de ce noyau EE dont la jambe centrale est rectangulaire, l’idée est de pouvoir définir la meilleure manière de « tourner » autour de cette jambe centrale et réaliser, ainsi, les différentes spires, tout en limitant les pertes cuivre HF. De manière intuitive, des enroulements de forme arrondie semblent être plus performants vis-à-vis de ce critère, un enroulement complètement circulaire permettant d’avoir les pertes cuivre les plus faibles (Tableau 3.1).

Cette tendance n’est pas si facilement généralisable lorsque tous les paramètres des enroulements, du type la taille des conducteurs ou l’espacement entre les couches, sont considérés. De plus, rien n’empêche, pour un concepteur, de mélanger des formes de spires avec des formes différentes sur chaque enroulement ou sur chaque couche. L’objectif de cette étude est donc de quantifier le gain obtenu, en termes de pertes cuivres HF,

en considérant des formes de spires spécifiques, des mélanges de forme entre enroulements et d’étudier l’impact de l’épaisseur des conducteurs et de l’espacement entre les couches sur ces pertes. Pour effectuer cette étude, nous allons considérer les formes d’angles de pistes usuelles (Tableau 3.2). Elles sont souvent évoquées dans la littérature [31] [37] [139] [140] et aisément réalisables sur PCB ou plaques de cuivres découpées. Les angles de ces pistes sont de forme carrée (c), trapézoïdale (t) et arrondie (r).