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Surmonter les défis thermiques dans la conception de transformateurs haute puissance et haute fréquence

radiateur de transformateur
Figure 1 : Disposition du dissipateur thermique du transformateur à l'aide des plaques métalliques intégrées brevetées de Murata.

Par Andrea Polti, chef de produit mondial – Magnetics

De grands progrès ont été réalisés ces dernières années dans l'amélioration de l'efficacité des convertisseurs de puissance utilisant la dernière technologie de semi-conducteurs, avec des dispositifs à large bande dans des topologies de convertisseurs résonnants monophasés permettant désormais des chiffres d'efficacité supérieurs à 99 %. Avec une réduction stable des pertes statiques et dynamiques dans les semi-conducteurs, l'attention se porte de plus en plus sur la dissipation des composants passifs, en particulier magnétiques.

L'un des avantages recherchés de l'efficacité des grands convertisseurs est une dissipation et l'emballage généralement plus petit et moins cher. Cependant, pour correspondre à cela, le magnétisme sous la forme d'inducteurs de stockage d'énergie, de filtres et de transformateurs doit également diminuer, ce qui est facilité par l'augmentation de la fréquence de commutation. Les filtres et les inducteurs de stockage qui passent le courant continu net nécessitent généralement moins d'induction à mesure que la fréquence de commutation augmente, ce qui peut permettre des noyaux plus petits et/ou moins de spires pour la même densité de flux. Cela provoque peu ou pas d'augmentation des pertes totales des composants magnétiques si la composante alternative du courant est faible. Pour les transformateurs, la taille du noyau peut également diminuer avec l'augmentation de la fréquence pour le même nombre de tours et la même densité de flux. Cependant, étant tout le courant du transformateur AC, les pertes par courant de Foucault et par hystérésis du noyau augmentent également considérablement à mesure que la fréquence augmente. De plus, les pertes dynamiques des semi-conducteurs augmentent avec la fréquence, il y a donc toujours quelque chose à arbitrer entre la fréquence du système, l'efficacité, l'élévation de température et la taille.

Cependant, les transformateurs peuvent être très efficaces et les pertes aux moyennes et basses puissances et aux basses fréquences sont souvent exclues. À des puissances plus élevées, cependant, même des fractions de pourcentage d'inefficacité peuvent entraîner une perte de puissance importante, avec des températures et des températures moyennes élevées en conséquence. Point chaud des transformateurs. Cela peut être problématique, en particulier si l'avantage de la petite taille des aimants a été obtenu en augmentant la fréquence, en abandonnant une petite surface globale du transformateur pour la dissipation de la chaleur vers l'environnement. Des températures élevées peuvent endommager l'isolation et la sécurité ou, au mieux, forcer l'utilisation de températures nominales inutilement élevées pour l'isolation des fils et les bobines afin d'obtenir la certification de sécurité de l'agence. La résistance ohmique des spires de cuivre augmente également avec la température, ce qui provoque encore plus de pertes et, par conséquent, à des températures encore plus élevées.

Une approche pour minimiser l'élévation de température dans les transformateurs consiste à fournir des chemins contrôlés pour que la chaleur s'éloigne. Les noyaux de ferrite utilisés à haute fréquence ont une conductivité thermique relativement faible, généralement de 2 à 5 W/m K, par rapport à 400 W/m K pour le cuivre, de sorte que les écarts de température à travers la ferrite peuvent être élevés et ainsi isoler thermiquement efficacement l'intérieur d'un transformateur. Des spires épaisses à spires multiples peuvent être utilisées comme c'est généralement le cas dans une construction "planaire" pour évacuer la chaleur, mais l'approche n'est pas efficace pour les spires internes qui peuvent souvent être des primaires haute tension avec des quantités relativement élevées de spires plus fines.

Une nouvelle approche réduit les températures internes des transformateurs

Murata a récemment fait des progrès dans les arrangements de rotation pour les transformateurs haute puissance et haute fréquence grâce à sa technologie PDQP brevetée, qui entrelace les bobines d'une nouvelle manière pour minimiser l'inductance de fuite et les effets de peau et proximité. La technique PDQP offre une réduction des pertes utile, mais la société a maintenant breveté une nouvelle technique pour offrir un meilleur contrôle des températures internes des transformateurs en incorporant des plaques de dissipateur thermique dans la structure centrale et tournante. Cette méthode est adaptée aux transformateurs de forte puissance où les élévations de température peuvent être élevées et le noyau est généralement assemblé avec des combinaisons de noyaux en « U » ou « U » et « I ». La Figure 1 montre la démarche générale. Dans cet exemple, huit noyaux U7 - U8 forment l'assemblage avec des plaques de dissipateur métalliques intercalées en bleu et rouge.

La Figure 2 montre la construction interne, dans ce cas en utilisant 12 noyaux en "U", mais les six premiers ont été supprimés pour plus de clarté. La plaque centrale plus épaisse agit comme un conduit pour la chaleur et peut être attachée ou collée à un boîtier externe ou « paroi froide » pour fournir une dissipation thermique pour l'intérieur de l'ensemble. Les plaques plus fines en rouge peuvent être collées à la plaque centrale ou peuvent sortir de l'assemblage pour se fixer au dissipateur thermique externe. L'ensemble peut être collé ou serré, mais la pression et les petits jeux ne sont pas critiques, sauf pour les faces entre les noyaux en U supérieur et arrière. Toutes les autres interfaces ne sont pas sur le chemin du champ magnétique et les petits trous ne sont pas matériels, bien que la correspondance thermique soit meilleure avec un contact plus étroit.

radiateur de transformateur
Figure 2 : Construction interne de la nouvelle approche de puits de transformateur

Semblables aux tôles d'acier des transformateurs 50/60 Hz, les plaques minces en rouge ne forment pas de boucles conductrices complètes et les courants F seraient toujours induits à travers la dimension mince de la plaque en premier lieu. Le courant de Foucault est proportionnel à la surface de la boucle de courant induit et la perte de puissance est proportionnelle au carré du courant, les deux sont donc minimisés par les plaques minces. La plaque centrale la plus épaisse n'a théoriquement pas de courants de Foucault si elle est symétrique aux spires, puisque le champ magnétique de chaque ouverture du noyau s'annule. Le matériau des plaques peut être du cuivre pour les performances les plus élevées ou de l'aluminium d'un facteur deux, mais leur conductivité électrique est supérieure d'un rapport similaire, de sorte que tout courant de Foucault résiduel produirait des pertes plus faibles dans l'aluminium.

Résultats pratiques

Pour confirmer les performances de cette approche de la dissipation du transformateur, un convertisseur 50kW 24kHz avec les cartes embarquées a été simulé et comparé à une version sans les cartes. Un vrai transformateur a ensuite été assemblé et chargé et des mesures de température ont été prises. Le convertisseur est typique d'un chargeur de batterie EV avec un bus d'entrée 700VDC et une sortie 417V à 122A. La Figure 3 (à gauche) est une carte de température simulée du transformateur avec les plaques de dissipateur thermique incluses (vue externe) tandis que l'image de droite montre une coupe transversale de la pièce avec les dissipateurs thermiques. points chauds interne. La température ambiante était de 31°C et une température interne maximale de 56,2°C est indiquée, soit une augmentation d'environ 25°C.

Simulation d'échauffement
Figure 3 : Simulation d'échauffement avec dissipation embarquée dans le transformateur

Le même transformateur a été simulé sans la dissipation supplémentaire et le Figure 4 (à gauche) et (à droite) sont les deux schémas équivalents, montrant une élévation de température interne maximale de 39 °C, supérieure de plus de 50 % à celle des plaques de dissipateur thermique. Il convient de noter que l'échelle de température est différente entre les figures 3 et 4.

simulation d'élévation de température
Figure 4 : Simulation d'échauffement sans dissipation embarquée dans le transformateur

Des mesures pratiques confirment la simulation (Figure 5), avec des thermocouples intégrés enregistrant un Point chaud température interne maximale légèrement supérieure à 58°C, à moins de 1,5°C de la simulation.

mesures de température interne
Figure 5. Mesures de température interne d'un transformateur à plaques dissipatrices
en fonctionnement.

L'approche exclusive de dissipation des transformateurs de Murata, telle que décrite, promet de permettre des puissances plus élevées d'un assemblage de transformateurs ou des températures plus basses pour la même puissance avec une augmentation correspondante de la fiabilité et de la durée de vie. La marge de sécurité par rapport aux limites de température des matériaux est améliorée et la certification de l'agence est facilitée sans recourir inutilement à des systèmes d'isolation à haute température spécialisés et coûteux. La combinaison de la simulation et des mesures pratiques confirme la valeur de l'approche.