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EP3300090B1 - Couche de transformateur planaire, ensemble de couches pour transformateur planaire, et transformateur planaire - Google Patents

Couche de transformateur planaire, ensemble de couches pour transformateur planaire, et transformateur planaire Download PDF

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EP3300090B1
EP3300090B1 EP16306215.1A EP16306215A EP3300090B1 EP 3300090 B1 EP3300090 B1 EP 3300090B1 EP 16306215 A EP16306215 A EP 16306215A EP 3300090 B1 EP3300090 B1 EP 3300090B1
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EP
European Patent Office
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planar transformer
layer
layers
thermal
transformer
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German (de)
English (en)
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EP3300090A1 (fr
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Philippe Vandeplassche
Thierry Scalais
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Thales SA
Original Assignee
Thales SA
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Publication date
Application filed by Thales SA filed Critical Thales SA
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Priority to ES16306215T priority patent/ES2909441T3/es
Priority to RU2017133004A priority patent/RU2744933C2/ru
Priority to US15/711,976 priority patent/US10770220B2/en
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    • H01F2027/2819—Planar transformers with printed windings, e.g. surrounded by two cores and to be mounted on printed circuit

Definitions

  • planar transformer layer Disclosed are a planar transformer layer, a set of planar transformer layers, and a planar transformer.
  • planar transformers whose power is limited to 2500W at 300V, or 1400W at 2kV.
  • Limiting the power handled by a transformer involves using two to three converters each using a transformer in order to reach a total power of 5 kW.
  • a transformer capable of transferring 5 kW saves one to two converters.
  • the figure 1 illustrates a planar transformer according to the state of the art. On the right side of the figure 1 the materials are represented, and on the left part are represented the thermal fluxes.
  • a dielectric insulating layer 4 is arranged between each of the elementary coils 1, as well as between the elementary coil 1 at the base of the stack and a cold source 5 on which is arranged the stack of elementary coils.
  • Cooling such a transformer through the magnetic core implies that the heat dissipated in the conductors must pass through the dielectric layers which insulate the electrical conductors from one another and which insulate the conductors from the magnetic core. Since dielectric materials are generally poor thermal conductors, the thermal resistance between the hot spot of the conductors and the magnetic core is high (the thermal resistances of each dielectric layer are connected in series from the hot spot to the magnetic core). Furthermore, since the magnetic core is also a heat dissipation source, it does not represent a good cold source.
  • An object of the invention is to produce a transformer for transmitting electrical power of at least 5 kW with galvanic isolation under an output voltage of 300 V to 2 kV in order to supply an ion thruster for a satellite or space probe.
  • a coil turn layer of an electrical conductor of a planar transformer comprising separate electrical connections and thermal connections, a thermal connection comprising a hole provided with a protrusion in the direction of the inside the coil turn
  • planar transformer capable of transmitting an electrical power of at least 5 kW with galvanic insulation under an output voltage of 300 V to 2 kV in order to to power an ion thruster for a satellite or space probe.
  • Such a hole allows an element such as a screw to hold together a plurality of layers together.
  • planar transformer comprising at least one planar transformer layer as previously described forming a primary layer, and two secondary layers of an electrical conductor.
  • planar transformer comprising electrical connections and devoid of distinct thermal connections, the three layers being separated and covered by a dielectric material, with the exception of the thermal connection or connections of the planar transformer layer
  • Such a set of layers provides a minimum thermal path between the secondary layers and the primary layer, the assembly being thermally drained by the access of the primary layer to the heat sink.
  • This assembly is particularly interesting when the electrical insulation between secondary layers and heat sink is difficult to guarantee.
  • planar transformer comprising at least one assembly as previously described.
  • a transformer comprises a plurality of sets stacked on top of each other, in which the thermal connections of the primary layers are connected to a heat sink.
  • each set is individually drained. All the layers of the transformer are cooled by as many connections to the heat sink in parallel, which improves drainage compared to a series connection.
  • the heat sink comprises a cold source and a dielectric part surrounding a part of the primary layer comprising the separate thermal connection(s).
  • the dielectric part provides electrical insulation between the heat sink and the layers.
  • the choice of dielectric is widened thereby allowing the optimization of the thermal conductivity, and the thickness of dielectric separating the layer and the heat sink can be minimized to maximize the thermal conductivity between layer and drain.
  • the cold source comprises formwork parts and is arranged on the outer part of the heat sink, the formwork parts surrounding the dielectric part.
  • the planar transformer further comprises a magnetic core and an associated fixing element.
  • the picture 2 represents a planar transformer according to one aspect of the invention, in which an elementary coil 6 comprises one or more copper layers 7 of which at least one 7a performs the thermal function. These copper layers 7 are electrically insulated for example by a dielectric insulator 8.
  • an elementary coil or elementary assembly 6 comprises, for example, a layer 7a carrying out the thermal function, and two other 7b, conventional, do not not realizing.
  • the left part of the picture 2 represents, by arrows, the diffusion of the thermal energy in the planar transformer by the layers 7a, part of which is surrounded by a dielectric 9 close to a cold source 10.
  • a continuous thermal path or thermal drain is thus created between the coils 6 and the cold source 10.
  • the performance heat of the cold source 10 plays an important role in obtaining the final performance of the transformer.
  • the reduction in thermal resistance of the electrical conductors of the transformer makes it possible to significantly increase (more than double) the power transferred, despite an electrical output voltage multiplied by five, without increasing the volume occupied by the transformer.
  • planar transformer layer 7a is shown comprising separate electrical connections 12 and thermal connections 13.
  • the thermal connections 13, in this case four in number per layer 7a, comprise a hole 14, making it possible to hold a plurality of layers 7a together fixedly.
  • the holes 14 of the thermal connections 13 can comprise a protrusion 14a in the direction of the inside of the layer 7a. These protuberances 14a make it possible to locally maximize the thermal flow towards the cold source and this taking into account the constraint of a mechanical fixing of the transformer by means of screws.
  • the winding production technology is based on flexible circuits consisting of an electric circuit on a layer encapsulated between two layers of flexible insulation.
  • the windings produced are then stacked.
  • the figure 5 represents a stack of a plurality of sets of layers according to the figure 4 , which constitutes all of the coils of the transformer according to one aspect of the invention.
  • the assembly of the transformer is carried out as follows.
  • the four thermal drainage slots are closed by means of aluminum formwork parts 16 as well as a comb made of dielectric material 17
  • These parts, 16 and 17 play a role of sealing and reproducibility of the stack.
  • the four feet 16, 17 of a dielectric resin 18 having good thermal conductivity takes into account the voltages brought into play between the elementary coils 6 in order to guarantee electrical insulation.
  • ferrites 19 are placed around the coil made up of the stack of elementary coils 6. This transformer proposes to completely decouple the heat flux from the losses by the copper 6 and losses by the irons 19. Consequently the ferrites 19 are held mechanically by a part 20, for example made of aluminum, also playing the role of thermal drainage towards the flat base.
  • the figure 9 shows the cutting plane of the figure 7 to get the sectional view of the figure 10 .

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Coils Of Transformers For General Uses (AREA)
  • Coils Or Transformers For Communication (AREA)

Description

  • L'invention porte sur une couche de transformateur planaire, un ensemble de couches pour transformateur planaire, et un transformateur planaire.
  • Il est connu des transformateurs planaires dont la puissance est limitée à 2500W en 300V, ou à 1400W à 2kV.
  • La limitation de la puissance traitée par un transformateur implique d'utiliser deux à trois convertisseurs utilisant chacun un transformateur afin d'atteindre une puissance totale de 5 kW. Un transformateur capable de transférer 5 kW permet d'économiser un à deux convertisseurs.
  • Les solutions existantes sont limitées en puissance par :
    • les effets de proximité dans le transformateur limitent soit la fréquence d'utilisation soit la section de cuivre accessible;
    • la résistance thermique du transformateur limite la puissance qui peut être dissipée dans le transformateur;
    • la haute tension de sortie implique une isolation électrique importante qui s'accompagne d'une augmentation de résistance thermique; et
    • l'entrelacement des bobinages secondaires et primaire permet d'augmenter la fréquence sans diminuer la section de cuivre mais implique aussi une augmentation des couches d'isolation électrique qui implique une augmentation de la résistance thermique.
  • La figure 1 illustre un transformateur planaire selon l'état de l'art. Sur la partie droite de la figure 1 sont représentés les matériaux, et sur la partie gauche sont représentés les flux thermiques.
  • Des bobines élémentaires 1 empilées, en l'espèce au nombre de trois, sont constituées de ou plusieurs couches de cuivre 2, en l'espèce au nombre de deux. Ces couches de cuivre ou conducteurs électriques 2 sont électriquement isolés les uns des autres par un isolant ou diélectrique 3. Une couche isolante 4 diélectrique est disposée entre chacune des bobines élémentaires 1, ainsi qu'entre la bobine élémentaire 1 à la base de l'empilement et une source froide 5 sur laquelle est disposé l'empilement de bobines élémentaires.
  • Refroidir un tel transformateur au travers du noyau magnétique implique que la chaleur dissipée dans les conducteurs doit traverser les couches diélectriques qui isolent les conducteurs électriques entre eux et qui isolent les conducteurs du noyau magnétique. Les matériaux diélectriques étant généralement de mauvais conducteurs thermiques, la résistance thermique entre le point chaud des conducteurs et le noyau magnétique est élevée (les résistances thermiques de chaque couche diélectrique sont connectées en série du point chaud au noyau magnétique). En outre, le noyau magnétique étant également une source de dissipation thermique, il ne représente pas une bonne source froide.
  • L'utilisation des connexions électriques comme source froide permet de refroidir les conducteurs électriques sans passer par la série des couches diélectriques. Lorsque le transformateur est connecté à une barre omnibus ou "busbar" en langue anglaise, la chaleur peut être retirée par convection. Quand la convection n'est pas possible, le busbar est lui-même électriquement isolé et ne représente donc pas une bonne source froide.
  • Une augmentation de tension de sortie d'un tel transformateur impliquerait une augmentation d'épaisseur d'isolant et par conséquent une augmentation de la résistance thermique. L'augmentation de résistance thermique impliquerait une réduction de la puissance transférable au travers du transformateur. Pour maintenir la puissance transférée il faudrait augmenter le volume et la masse du transformateur ce qui poserait des problèmes de tenue à l'environnement thermomécanique déjà limite au niveau de la masse et du volume des conceptions actuelles. Le doublement de la puissance transférée est donc inconcevable avec les modes de réalisation connus.
  • En outre un tel transformateur doit fonctionner dans le vide ce qui interdit le refroidissement par convection. Il est fait référence aux documents JP2004303857A et JP2004303823A qui décrivent les caractéristiques du préambule de la revendication 1.
  • Un but de l'invention est de réaliser un transformateur pour transmettre une puissance électrique d'au moins 5 kW avec une isolation galvanique sous une tension de sortie de 300 V à 2 kV afin d'alimenter un propulseur ionique pour satellite ou sonde spatiale.
  • Il est proposé, selon un aspect de l'invention, une couche spire de bobine d'un conducteur électrique de transformateur planaire comprenant des connexions électriques et des connexions thermiques distinctes, une connexion thermique comprenant un trou muni d'une excroissance en direction de l'intérieur de la spire de bobine
  • Ainsi, il est possible de nettement améliorer l'évacuation d'énergie thermique, et de réaliser un transformateur planaire capable de transmettre une puissance électrique d'au moins 5 kW avec une isolation galvanique sous une tension de sortie de 300 V à 2 kV afin d'alimenter un propulseur ionique pour satellite ou sonde spatiale.
  • Un tel trou permet à un élément tel une vis de maintenir ensemble une pluralité de couches ensemble.
  • Une telle excroissance en direction de l'intérieur de la couche permet de maximiser la surface d'échange entre la couche et le drain thermique.
  • Selon un autre aspect de l'invention, il est également proposé un ensemble de couches spires de bobine pour transformateur planaire, comprenant au moins une couche de transformateur planaire telle que récédemment décrite formant une couche primaire, et deux couches secondaires d'un conducteur électrique de transformateur planaire comprenant des connexions électriques et dépourvues de connexions thermiques distinctes, les trois couches étant séparées et recouvertes par un matériau diélectrique, à l'exception de la ou les connexions thermiques de la couche de transformateur planaire
  • Un tel ensemble de couches offre un chemin thermique minimal entre les couches secondaires et la couche primaire, l'ensemble étant thermiquement drainé par l'accès de la couche primaire au drain thermique. Cet ensemble est particulièrement intéressant lorsque l'isolation électrique entre couches secondaires et drain thermique est difficile à garantir.
  • Selon un autre aspect de l'invention, il est également proposé un transformateur planaire comprenant au moins un ensemble tel que précédemment décrit.
  • Dans un mode de réalisation, un transformateur comprend une pluralité d'ensembles empilés les uns sur les autres, dans lequel les connexions thermiques des couches primaires sont connectées à un drain thermique.
  • Ainsi, chaque ensemble est individuellement drainé. L'ensemble des couches du transformateur est refroidi par autant de connexions au drain thermique en parallèle, ce qui améliore le drainage par rapport à une connexion en série.
  • Selon un mode de réalisation, le drain thermique comprend une source froide et une partie diélectrique entourant une partie de la couche primaire comprenant la ou les connexion(s) thermiques distinctes.
  • Ainsi, la partie diélectrique assure l'isolation électrique entre le drain thermique et les couches. En plaçant dans le drain thermique les couches nécessitant les plus faibles tenues diélectriques par rapport au drain thermique, le choix du diélectrique s'en trouve élargi autorisant l'optimisation de la conductivité thermique, et l'épaisseur de diélectrique séparant couche et drain thermique peut être minimisée pour maximiser la conductivité thermique entre couche et drain.
  • Dans un mode de réalisation, la source froide comprend des pièces de coffrage et est disposée sur la partie extérieure du drain thermique, les pièces de coffrage entourant la partie diélectrique.
  • Selon un mode de réalisation, le transformateur planaire comprend en outre un noyau magnétique et un élément de fixation associé.
  • Il est également proposé, selon un autre aspect de l'invention, un équipement électronique de conversion d'énergie pour satellite muni d'au moins un transformateur planaire tel que précédemment décrit.
  • L'invention sera mieux comprise à l'étude de quelques modes de réalisation décrits à titre d'exemples nullement limitatifs et illustrés par les dessins annexés sur lesquels :
    • la figure 1 illustre schématiquement un transformateur planaire selon l'état de l'art;
    • la figure 2 illustre schématiquement un transformateur planaire selon un aspect de l'invention;
    • la figure 3 illustre schématiquement une couche de transformateur planaire selon un aspect de l'invention;
    • les figures 4 à 10 illustrent schématiquement un mode de réalisation d'un transformateur selon un aspect de l'invention.
  • Sur les différentes figures, les éléments ayant des références identiques sont identiques.
  • La figure 2 représente un transformateur planaire selon un aspect de l'invention, dans lequel une bobine élémentaire 6 comprend une ou plusieurs couches de cuivre 7 dont au moins une 7a réalise la fonction thermique. Ces couches de cuivre 7 sont électriquement isolées par exemple par un isolant diélectrique 8. En l'espèce, une bobine élémentaire ou ensemble élémentaire 6 comprend, par exemple, une couche 7a réalisant la fonction thermique, et deux autres 7b, classiques, ne la réalisant pas.
  • La partie gauche de la figure 2 représente, par des flèches la diffusion de l'énergie thermique dans le transformateur planaire par les couches 7a, dont une partie est entourée d'un diélectrique 9 à proximité d'une source froide 10. Ainsi est créé un chemin thermique continu ou drain thermique entre les bobines 6 et la source froide 10. La performance thermique de la source froide 10 joue un rôle important dans l'obtention de la performance finale du transformateur.
  • La réduction de résistance thermique des conducteurs électriques du transformateur permet de nettement augmenter (plus de doubler) la puissance transférée, malgré une tension électrique de sortie multipliée par cinq, sans augmenter le volume occupé par le transformateur.
  • Sur la figure 3 est représentée une couche 7a de transformateur planaire comprenant des connexions électriques 12 et des connexions thermiques 13 distinctes.
  • Les connexions thermiques 13, en l'espèce au nombre de quatre par couche 7a, comprennent un trou 14, permettant de maintenir ensemble fixement une pluralité de couches 7a.
  • Selon l'invention, les trous 14 des connexions thermiques 13 peuvent comprendre une excroissance 14a en direction de l'intérieur de la couche 7a. Ces excroissances 14a permettent de maximiser localement le flux thermique vers la source froide et ce compte tenu de la contrainte d'une fixation mécanique du transformateur au moyen de vis.
  • La suite de la description illustre un exemple de réalisation de l'invention.
  • La technologie de réalisation du bobinage est basée sur des circuits flexibles constitués d'un circuit électrique sur une couche encapsulé entre deux couches d'isolant souple.
  • Les bobinages réalisés sont ensuite empilés.
  • Comme illustré sur la figure 4, afin de réaliser facilement l'assemblage d'un transformateur, il est possible de réaliser un ensemble comprenant par exemple une couche 7a de transformateur planaire comprenant des connexions électriques 12 et des connexions thermiques 13 distinctes et deux couches 7b classiques de transformateur planaire, directement chez le fabricant du circuit afin d'obtenir une bobine élémentaire ou ensemble de couches.
  • La figure 5 représente un empilage d'une pluralité d'ensembles de couches selon la figure 4, qui constitue l'ensemble des bobines du transformateur selon un aspect de l'invention.
  • Afin de drainer le flux thermique sortant des spires primaires ou en d'autres termes des spires ou couches 7a, il est nécessaire de créer un chemin continu vers la base plate du transformateur.
  • L'assemblage du transformateur est réalisé comme suit.
  • Comme illustré sur la figure 6, après avoir empilé des ensembles de couches ou bobines élémentaires 6 sur un outillage, on referme les quatre emplacements de drainage thermique, ici disposés à proximité des coins, au moyen de pièces de coffrage en aluminium 16 ainsi que d'un peigne en matériau diélectrique 17 Ces pièces, 16 et 17 jouent un rôle d'étanchéité et de reproductibilité de l'empilage. Une fois cette opération terminée, on glisse les "pieds" du transformateur qui viennent étendre l'échange vers la plaque froide ou source froide 10. En effet, dans l'assemblage proposé, il y a une coupure dans la liaison entre le transformateur et la source froide. D'une manière plus générale cette fonction pourrait directement faire partie de la source froide ce qui aurait pour effet encore d'améliorer les performances thermiques.
  • Ensuite, comme illustré sur la figure 7, les quatre pieds 16, 17 d'une résine diélectrique 18 ayant une bonne conductibilité thermique. La conception prend en compte les tensions mises en jeu entre les bobines élémentaires 6 afin de garantir l'isolation électrique.
  • Enfin, des ferrites 19 (noyau magnétique) sont placées autour de la bobine constituée de l'empilement des bobines élémentaires 6. Le présent transformateur propose de découpler complètement le flux thermique des pertes par le cuivre 6 et des pertes par les fers 19. Par conséquent les ferrites 19 sont maintenues mécaniquement par une pièce 20 par exemple en aluminium jouant aussi le rôle de drainage thermique vers la base plate.
  • La figure 9, montre le plan de coupe de la figure 7 pour obtenir la vue en coupe de la figure 10.

Claims (8)

  1. Couche spire de bobine d'un conducteur électrique (7a) de transformateur planaire comprenant des connexions électriques (12) et des connexions thermiques (13) distinctes, caractérisé en ce qu'une connexion thermique (13) comprend un trou (14) muni d'une excroissance (14a) en direction de l'intérieur de la spire de bobine (7a).
  2. Ensemble (6) de couches spires de bobine (7) pour transformateur planaire, comprenant au moins une couche de transformateur planaire selon la revendication 1 formant une couche primaire (7a), et deux couches secondaires d'un conducteur électrique (7b) de transformateur planaire comprenant des connexions électriques (12) et dépourvues de connexions thermiques (13) distinctes, les trois couches (7a, 7b) étant séparées et recouvertes par un matériau diélectrique (8), à l'exception de la ou les connexions thermiques de la couche de transformateur planaire selon la revendication 1.
  3. Transformateur planaire comprenant au moins un ensemble (6) selon la revendication 2.
  4. Transformateur planaire selon la revendication 3, comprenant une pluralité d'ensembles (6) empilés les uns sur les autres, dans lequel les connexions thermiques (13) des couches primaires (7a) sont connectées à un drain thermique.
  5. Transformateur planaire selon la revendication 4, dans lequel le drain thermique comprend une source froide (10) et une partie diélectrique (9) entourant une partie de la couche primaire comprenant la ou les connexion(s) thermiques distinctes.
  6. Transformateur planaire selon la revendication 5, dans lequel la source froide (10) comprend des pièces de coffrage (16) et est disposée sur la partie extérieure du drain thermique, les pièces de coffrage (16) entourant la partie diélectrique (9).
  7. Transformateur planaire selon l'une des revendications 4 à 6, comprenant en outre un noyau magnétique (19) et un élément de fixation (20) associé.
  8. Equipement électronique de conversion d'énergie pour satellite muni d'au moins un transformateur planaire selon l'une des revendications 3 à 7.
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