DESCRIPTION

DOMAINE TECHNIQUE

La présente invention concerne un dispositif électromagnétique de conversion d'énergie, pourvu notamment d'un transformateur. Le transformateur selon la présente invention comprend en particulier une fonction magnétique supplémentaire destinée à créer au moins une inductance de fuite contrôlée.

Les moyens pour mettre en œuvre cette fonction magnétique supplémentaire peuvent également permettre d'assurer une meilleure gestion thermique du transformateur.

ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE

Les convertisseurs de puissance miniatures à hauts rendement sont aujourd'hui couramment mis en œuvre dans les équipements électroniques grand public, notamment pour leur recharge.

Ces convertisseurs, notamment ceux comprenant des composants semi- conducteurs à grand Gap comme le SiC (Carbure de Silicium) ou le GaN (nitrure de Gallium), peuvent fonctionner à des puissances de l'ordre de la centaine de Watt, et à des fréquences de l'ordre du Mégahertz.

Ces convertisseurs nécessitent d'intégrer différents composants, et plus particulièrement des filtres d'adaptation, des éléments de conversion DC-DC et des éléments passifs (transformateur de tension, inductances des filtres, capacités) dans un volume restreint, et notamment compris entre 30 cm ³ à 50 cm ³ , pour atteindre des densités d'énergie de 1,2 à 1,5 W/cm ³ (20 à 25 W/inch ³ ).

À cet effort d'intégration s'ajoute une nécessité pour le convertisseur de présenter un niveau de rendement de conversion électrique élevé.

Afin de répondre à ces dernières exigences, des matériaux mis en œuvre pour la réalisation de noyaux présentant des pertes magnétiques relativement faibles (300mW/cm ³ à 25mT et 1,5MHz) ont été développés. Les ferrites, et plus particulièrement le NiZnFe204., sont à cet égard de bons candidats.

Au niveau du composant, les contraintes de dissipation des pertes thermiques par échauffement imposent, en plus de la réduction du volume et de l'augmentation du rendement, une géométrie adaptée et notamment avec un facteur de forme élevé (supérieur à 20).

Il existe également une volonté d'ajouter à ces convertisseurs des fonctions magnétiques supplémentaires.

Notamment, le convertisseur comprend un transformateur pourvu d'un noyau ferromagnétique autour duquel sont formés deux bobinages dits respectivement, bobinage primaire et bobinage secondaire. Ce transformateur est en particulier destiné à assurer la transformation d'une couple courant/tension, appliqué aux bornes du bobinage primaire, en un autre couple courant/tension délivré aux bornes du bobinage secondaire.

En fonctionnement, un courant traversant le bobinage primaire génère une induction magnétique dans le bobinage secondaire, et dont résulte la circulation d'un courant dans ledit bobinage secondaire.

Cependant, cette induction magnétique, bien qu'en majeure partie confinée dans le noyau ferromagnétique, est sujette à des fuites magnétiques. Ces dernières sont à la source d'une inductance de fuite qui dépend essentiellement de la perméabilité magnétique du noyau ferromagnétique et/ou de la géométrie des bobinages primaire et secondaire.

Dans une configuration de transformateur conventionnelle, correspondant à un noyau entouré de deux bobinages primaire et secondaire, cette inductance de fuite, généralement faible, reste subie, et son évaluation est difficile à prévoir.

Aussi, il est d'ordinaire proposé d'ajouter des fonctions magnétiques supplémentaires qui permettent d'augmenter et de contrôler la valeur de l'inductance de fuite et par voie de conséquence de mieux prévoir le comportement du transformateur. Cette inductance de fuite peut alors jouer le rôle d'une inductance discrète et la remplacer. Ainsi le contrôle de cette inductance de fuite permettrait de supprimer un ou plusieurs composants passifs du circuit.

Toutefois, la mise en œuvre de ces fonctions n'est pour toujours compatible avec les contraintes de réduction de volume du transformateur.

Par conséquent, un but de la présente invention est de proposer un dispositif de conversion électromagnétique intégrant une inductance de fuite contrôlée respectant les contraintes de volume imposées pour le convertisseur.

Un autre but de la présente invention est de proposer un dispositif de conversion électromagnétique permettant une meilleure gestion thermique.

EXPOSÉ DE L'INVENTION

Les buts de la présente invention sont, au moins en partie, atteints par un dispositif de conversion d'énergie électromagnétique qui comprend :

- un noyau ferromagnétique de forme essentiellement plane et délimité par un contour périphérique ;

- un bobinage primaire et un bobinage secondaire formés, respectivement, par des spires primaires et des spires secondaires ; le dispositif étant caractérisé en ce qu'il comprend, agencés contre le contour périphérique, un premier bloc et un second bloc, comprenant un matériau ferromagnétique, et présentant une perméabilité magnétique inférieure à celle du noyau ferromagnétique, et en ce qu'au moins une spire primaire et/ou au moins une spire secondaire est formée autour du ou traversant le premier bloc et/ou le second bloc pour former, respectivement, une première inductance de fuite et/ou une seconde inductance de fuite.

Selon un mode de mise en œuvre, l'ensemble des spires primaires est formé autour du premier bloc et du noyau ferromagnétique, et/ou l'ensemble des spires secondaires est formé autour du second bloc et du noyau ferromagnétique.

Selon un mode de mise en œuvre, un premier ensemble de spires parmi les spires primaires est formée exclusivement autour du premier bloc, et/ou un second ensemble parmi les spires secondaires est formée exclusivement autour du second bloc. Selon un mode de mise en œuvre, les spires primaires autres que les spires du premier ensemble sont formées autour du noyau ferromagnétique et du premier bloc, et/ou les spires secondaires autres que les spires du second ensemble sont formées autour du noyau magnétique et du second bloc.

Selon un mode de mise en œuvre, les spires primaires autres que les spires du premier ensemble sont formées exclusivement autour du noyau ferromagnétique, et/ou les spires secondaires autres que les spires du second ensemble sont formées exclusivement autour du noyau ferromagnétique.

Selon un mode de mise en œuvre, le noyau ferromagnétique forme un anneau délimité latéralement par le contour périphérique, le contour périphérique reliant une face supérieure et une face inférieure dudit noyau.

Selon un mode de mise en œuvre, le premier bloc et le second bloc appartiennent à une couronne continue et en appui contre le contour périphérique.

Selon un mode de mise en œuvre, la couronne relie une plaque inférieure, en appui contre la face inférieur du noyau, et une plaque supérieure, en appui contre la face supérieure du noyau, avantageusement, la plaque supérieure, la couronne et la plaque inférieure forme un boîtier à l'intérieur duquel est logé le noyau.

Selon un mode de mise en œuvre, la plaque inférieure et/ou la plaque supérieure comprend une ou plusieurs ouvertures destinées à évacuer la chaleur susceptible d'être générée lors du fonctionnent du dispositif de conversion d'énergie électromagnétique.

Selon un mode de mise en œuvre, le bobinage primaire et le bobinage secondaire comprennent chacun des pions métalliques dits, respectivement, pions primaires et pions secondaires, les pions primaires et les pions secondaires traversant de part en part la plaque inférieure et la plaque supérieure.

Selon un mode de mise en œuvre, le dispositif comprend deux plaques d'interconnexion primaires dites, respectivement, plaque primaire supérieure et plaque primaire inférieure, enserrant, et dans l'ordre, la plaque supérieure, le noyau et la plaque inférieure, la plaque primaire inférieure et la plaque primaire supérieure étant pourvues chacune sur une de leur face de pistes conductrices, dites pistes primaires, agencées pour connecter au niveau de leurs extrémités les pions primaires et ainsi former les spires primaire.

Selon un mode de mise en œuvre, le dispositif comprend deux plaques d'interconnexion secondaires dites, respectivement, plaque secondaire supérieure et plaque secondaire inférieure, enserrant, et dans l'ordre, la plaque primaire supérieure, la plaque supérieure, le noyau, la plaque inférieure et la plaque primaire inférieure, la plaque secondaire inférieure et la plaque secondaire supérieure étant pourvues chacune sur une de leur face de pistes conductrices, dites pistes secondaires, agencées pour connecter au niveau de leurs extrémités les pions secondaires et ainsi former les spires secondaires.

Selon un mode de mise en œuvre, une plaque d'isolation supérieure, faite d'un matériau électriquement isolant, est disposée entre la plaque primaire supérieure et la plaque secondaire supérieure.

Selon un mode de mise en œuvre, une plaque d'isolation inférieure, faite d'un matériau électriquement isolant, est disposée entre la plaque primaire inférieure et la plaque secondaire inférieure.

Selon un mode de mise en œuvre, le premier bloc et le second bloc présentent une perméabilité magnétique comprise entre 1 et 50.

Selon un mode de mise en œuvre, matériau ferromagnétique comprend un matériau de type ferrite, avantageusement dilué dans un polymère.

L'invention concerne également un chargeur pourvu du dispositif selon la présente invention.

L'invention concerne également une fiche USB pourvue du chargeur selon la présente invention.

BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS

D'autres caractéristiques et avantages apparaîtront dans la description qui va suivre d'un dispositif de conversion d'énergie électromagnétique, donnés à titre d'exemples non limitatifs, en référence aux dessins annexés dans lesquels : [Fig. 1] est une représentation schématique en vue éclatée du dispositif de conversion d'énergie électromagnétique selon la présente invention ;

[Fig. 2] est une représentation schématique du noyau susceptible d'être mis en œuvre dans le cadre de la présente invention ;

[Fig. 3] est représentation en vue éclatée du noyau de la figure 2 logé dans un boîtier formé par la plaque supérieur, la couronne et la plaque inférieure ;

[Fig. 4] est une représentation schématique de la plaque primaire supérieure et de la plaque primaire inférieure ;

[Fig. 5] est une illustration de la connexion entre les pions primaires via les pistes primaires ;

[Fig. 6] est une représentation schématique de la plaque secondaire supérieure et de la plaque secondaire inférieure ;

[Fig. 7] est une illustration de la connexion entre les pions secondaires via les pistes secondaires.

EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS

L'invention concerne un dispositif de conversion d'énergie électromagnétique pourvu d'au moins une inductance de fuite contrôlée. Cette inductance de fuite contrôlée est notamment mise en œuvre par l'adjonction d'un bloc ferromagnétique en appui contre le noyau du dispositif de conversion d'énergie électromagnétique et autour duquel est enroulée au moins une spire d'un des bobinages primaire ou secondaire dudit dispositif.

Sur les figures 1 à 7 on peut voir un exemple de mise en œuvre d'un dispositif de conversion 10 d'énergie électromagnétique selon la présente invention.

Le dispositif de conversion 10 peut notamment être mis en œuvre dans un chargeur.

A cet égard, le dispositif de conversion représenté à la figure 1 comprend un noyau ferromagnétique 20 (figure 2) mis en œuvre dans un transformateur.

Le noyau ferromagnétique 20 peut présenter une perméabilité magnétique supérieure à 50 (p _r > 50). Par ailleurs, selon la présente invention, la mention « matériau ferromagnétique » indique qu'il s'agit d'un matériau présentant une perméabilité magnétique supérieure à 1.

Le noyau ferromagnétique, notamment lorsqu'il est mis œuvre dans un transformateur, comprend un matériau ferromagnétique, par exemple sous forme d'un monobloc. Ce matériau présente notamment des valeurs élevées de perméabilité magnétique relative, par exemple supérieures à 50 et d'induction magnétique à saturation Bs, par exemple supérieures à 100 mT.

À cet égard, du fait de la stabilité de leur perméabilité magnétique à haute fréquence, les matériaux oxydes de type ferrite de structure cristallographie spinelle sont des matériaux de choix. Mis en œuvre dans un noyau d'inductance, de tels matériaux ouvrent la voie à des fonctionnements dudit noyau à des fréquences relativement élevées et plus particulièrement comprises entre 100 kHz et 10 MHz. Les formulations les plus courantes de ces matériaux sont Mni- _x ZnxFe ₂ 0 ₄ et Nii- _x Zn _x Fe ₂ 0 ₄ . Ces matériaux se caractérisent également par des valeurs de résistivité électrique élevées limitant les pertes par courants induits.

À titre d'exemple, le noyau ferromagnétique comprend du Mni- _x Zn _x Fe ₂ 0 ₄ , avec x compris entre 0,3 et 0,6, la perméabilité magnétique p _r évolue avec x, et est comprise entre 500 et 1500.

Les matériaux Mni- _x Zn _x Fe ₂ 0 ₄ et Nii- _x Zn _x Fe ₂ 0 ₄ présentent également l'avantage d'être disponibles à l'échelle industrielle.

Le noyau ferromagnétique 20 peut être de forme essentiellement plane, et plus particulièrement présenter une forme d'anneau.

L'anneau selon la présente invention peut être de forme circulaire, ovale, carrée, rectangulaire, éventuellement avec des coins arrondis. L'invention n'est toutefois pas limitée à ces seules formes,

Par « forme essentiellement plane », on entend un noyau qui présente une épaisseur très inférieure à sa largeur ou à sa longueur. Par « très inférieure », on entend au moins 10 fois inférieure. Par très inférieure on entend que la largeur est égale à 2 à 100 fois l'épaisseur. Un noyau de forme essentiellement plane est caractérisé par le fait que le quadrilatère formé par une de ses sections possède deux côtés de dimensions inférieures à celles des deux autres.

L'anneau formant le noyau ferromagnétique comprend notamment une face supérieure 20a et une face inférieure 20b, essentiellement parallèles, et reliées par un contour périphérique 20c.

Il est également entendu que le noyau ferromagnétique comprend une ouverture traversante 21 qui s'étend de la face inférieure 20b vers la face supérieure 20a, et qui est délimité par une paroi intérieure 20d.

Le dispositif de conversion 10 comprend également un bobinage primaire et un bobinage secondaire formés, respectivement, par des spires primaires et des spires secondaires.

Il est entendu que dans la mesure où le dispositif 10 selon la présente invention est destiné à opérer une conversion d'énergie électromagnétique, les spires primaires et les spires secondaires sont, au moins en partie, formées autour du noyau ferromagnétique 20.

Par « formées autour du noyau ferromagnétique », on entend des spires entourant une section, notamment une section continue, du noyau ferromagnétique, et de sorte que lorsqu'un courant électrique circule dans lesdites spires, un flux magnétique s'écoule, en boucle, dans le noyau. De manière équivalente, un flux magnétique variable dans le temps s'écoulant dans l'anneau formé par le noyau génère, par induction, un courant électrique dans les spires. De manière générale, la section du noyau peut prendre la forme d'un barreau essentiellement droit ou incurvée.

Ainsi, en fonctionnement, lorsqu'un courant primaire d'intensité variable circule dans le bobinage primaire, une variation de flux magnétique traverse les spires du bobinage secondaire formées autour du noyau ferromagnétique 20, et par voie de conséquence induit la circulation d'un courant électrique dans ce même bobinage 40.

Le dispositif de conversion 10 selon la présente invention comprend également un ou plusieurs premiers blocs 50a et un ou plusieurs seconds blocs 50b (figure 3). Le premier bloc 50a et le second bloc 50b comprennent un matériau ferromagnétique qui présente une perméabilité magnétique inférieure à celle du noyau ferromagnétique 20a.

Le premier bloc 50a et le second bloc 50b peuvent notamment présenter une perméabilité magnétique comprise entre 1 et 50.

Selon un mode de réalisation avantageux, le matériau ferromagnétique formant le premier bloc 50a et le second bloc 50b comprend un matériau de type ferrite, avantageusement dilué dans un polymère.

Le polymère peut notamment comprendre une polyoléfine et un agent rhéofluidisant et/ou lubrifiant.

Par ailleurs, selon la présente invention au moins une spire primaire et/ou au moins une spire secondaire est formée autour du premier bloc 50a et/ou du second bloc 50b pour former, respectivement, une première inductance de fuite et/ou une seconde inductance de fuite.

De manière avantageuse, le premier bloc 50a et le second bloc 50b sont des sections d'une couronne continue 50 en appui contre le contour périphérique 20c. La couronne peut être plus épaisse que le premier 50A et le second 50b bloc.

La couronne 50 selon une mode de réalisation avantageux peut relier une plaque inférieure 51, en appui contre la face inférieur 20b du noyau, et une plaque supérieure 52, en appui contre la face supérieure 20a du noyau ferromagnétique 20 (figures 1 et 3).

La couronne, la plaque supérieure et la plaque inférieure peuvent être faite du même matériau.

Plus particulièrement, la plaque supérieure 52, la couronne 50 et la plaque inférieur 51 forment un boîtier à l'intérieur duquel est logé le noyau ferromagnétique 20 (figure 3).

De manière avantageuse, la couronne 50 et l'une ou l'autre des plaques inférieure 51 et supérieure 52 forment une pièce monobloc.

En particulier, la plaque inférieure 51 peut être surmontée de la couronne 50. La plaque inférieure 51 peut également comprendre un insert central 53 se conformant à l'ouverture traversante du noyau ferromagnétique 20 (figure 3).

Toujours de manière avantageuse, la plaque supérieure 52, la couronne 50 et la plaque inférieur 51 peuvent être formées selon un procédé de surmoulage sur le noyau ferromagnétique 20.

Par ailleurs, des trous primaires 61 et des trous secondaires 62 sont prévus au niveau de la couronne 50, des plaques supérieures 52 et inférieures 51, de l'insert central 53 pour le passage, respectivement, du bobinage primaire et du bobinage secondaire.

Le bobinage primaire et le bobinage secondaire peuvent comprendre chacun des pions métalliques dits, respectivement, pions primaires 31a et pions secondaires 41a.

En particulier, les pions primaires 31a et les pions secondaires 41a traversent de part en part la plaque inférieure 51 et la plaque supérieure 52. Ces derniers, peuvent également traverser l'insert central 53 et la couronne continue 50.

Des connections additionnelles sont mises en œuvres afin d'assurer la continuité électrique du premier bobinage d'une part, et du second bobinage d'autre part.

En particulier, le dispositif peut comprendre deux plaques d'interconnexion primaires dites, respectivement, plaque primaire supérieure 72 et plaque primaire inférieure 71 enserrant, et dans l'ordre, la plaque supérieure 52, le noyau ferromagnétique 20 et la plaque inférieure 51 (figures 1 et 4).

Notamment, la plaque primaire supérieure 72 et la plaque primaire inférieure 71 sont pourvues, sur l'une ou l'autre de leurs faces, de pistes conductrices, dites pistes primaires 31b, destinées à assurer la continuité électrique du bobinage primaire (figure 4).

La plaque primaire supérieure 72 et la plaque primaire inférieure 71 sont par exemple des circuits imprimés, et comprennent si nécessaire des trous au travers desquels peuvent passer les pions primaires et les pions secondaires. Ainsi, les spires primaires du bobinage primaire sont formées d'une succession de pions primaires 31a et de pistes primaires 31b.

A cet égard, la figure 5 illustre la connexion entre les pions primaires 31a via les pistes primaires 31b.

Le dispositif 10 peut également comprendre deux plaques d'interconnexion secondaires dites, respectivement, plaque secondaire supérieure 82 et plaque secondaire inférieure 81, enserrant, et dans l'ordre, la plaque primaire supérieure, la plaque supérieure, le noyau, la plaque inférieure et la plaque primaire inférieure (figure 1).

Notamment, la plaque secondaire inférieure 81 et la plaque secondaire supérieure 82 sont pourvues chacune sur une de leur face de pistes conductrices, dites pistes secondaires 41b, agencées pour connecter, au niveau de leurs extrémités, les pions secondaires 41a et ainsi former les spires secondaires (figure 6).

La plaque secondaire inférieure 81 et la plaque secondaire supérieure 82 sont par exemple des circuits imprimés, et comprennent si nécessaire des trous au travers desquels peuvent passer les pions secondaires.

Ainsi, les spires secondaires du bobinage secondaire sont formées d'une succession de pions secondaires 41a et de pistes secondaires 41b.

A cet égard, la figure 7 illustre la connexion entre les pions secondaires 41a via les pistes secondaires 41b.

Le dispositif de conversion 10 peut également comprendre une plaque d'isolation supérieur 92, faite d'un matériau électriquement isolant, et disposée entre la plaque secondaire supérieure 82 et la plaque primaire supérieure 72, ainsi qu'une plaque d'isolation inférieure 91, faite d'un matériau électriquement isolant, et disposée entre la plaque secondaire inférieure 81 et la plaque primaire inférieure 71 (figure 1).

Par « électriquement isolante », on entend un matériau diélectrique qui présente une tenue (ou rigidité) diélectrique pour des champs électriques d'intensité inférieure à 6000 V/mm.

La considération de spires formées par des pions et des pistes conductrices permet de faciliter leur formation notamment lorsqu'il s'agit de les intégrer dans un dispositif de conversion d'énergie électromagnétique de petite taille. En effet, un bobinage fait d'un fil conducteur épousera plus difficilement la forme du noyau ferromagnétique dès lors que la taille de ce dernier diminuera.

Par ailleurs, la couronne (ou les premiers et second blocs), qui présente une fonction magnétique, permet la création d'inductances de fuite contrôlées, et ouvre la voie à la mise en œuvre du dispositif de conversion dans une topologie LLC dépourvu de fonction de résonance.

La couronne, et plus particulièrement le boîtier qu'elle forme avec la plaque supérieure et la plaque inférieure, a également une fonction d'écrantage vis-à-vis de l'environnement extérieur. Cet écrantage permet notamment de positionner le dispositif de conversion à proximité d'autres composants, sans affecter leur fonctionnement.

Le boîtier permet également de dissiper la quantité de chaleur générée lorsque le dispositif est en fonctionnement, et permet ainsi d'intégrer plus facilement le dispositif 10 avec les autres éléments d'un chargeur.

La couronne assure également une fonction mécanique et supporte le noyau ferromagnétique ainsi que les bobinages primaire et secondaire.

Par ailleurs, la couronne permet d'augmenter la densité de puissance du convertisseur.

L'invention a été décrite en imposant à l'ensemble des spires primaires d'être formées autour du premier bloc et du noyau, et à l'ensemble des spires secondaire d'être formées autour du second bloc et du noyau. Toutefois, la présente invention couvre également d'autres agencements.

En particulier, un premier ensemble de spires parmi les spires primaires est formée exclusivement autour du premier bloc, et/ou un second ensemble parmi les spires secondaires est formée exclusivement autour du second bloc.

Selon une première alternative, les spires primaires autres que les spires du premier ensemble sont formées autour du noyau ferromagnétique et du premier bloc, et/ou les spires secondaires autres que les spires du second ensemble sont formées autour du noyau magnétique et du second bloc. Selon une seconde alternative, les spires primaires autres que les spires du premier ensemble sont formées exclusivement autour du noyau ferromagnétique, et/ou les spires secondaires autres que les spires du second ensemble sont formées exclusivement autour du noyau ferromagnétique. L'agencement des trous et/ou passage des spires primaires et secondaire dans les différents éléments du dispositif 10 est à la portée de l'homme du métier, et est notamment fonction de ces considérations.