Transformateur à fort couplage primaire-secondaire

Abstract

 Transformateur à fort couplage comprenant un premier enroulement (2) couplé magnétiquement à un second enroulement (1) constitué par une spire. La spire (1) est constituée par un élément conducteur de faible épaisseur constituant une surface qui forme une enveloppe presque fermée qui épouse la surface dudit premier enroulement (2).
Ce transformateur peut être utilisé dans les alimentations à découpage travaillant à haute fréquence.

Description

[0001] La présente invention concerne les tranformateurs à fort couplage. Plus particulièrement elle concerne les tranformateurs destinés à être utilisés dans les alimentations à découpage.

[0002] Pour des raisons de gain de poids et de volume des composants magnétiques (transformateur et inductance) et des composants de filtrage (condensateur et inductance de filtrage), la fréquence de fonctionnement des alimentations à découpage évolue vers des valeurs de plus en plus élevées. Cette évolution a été permise par le développement de composants et de matériaux à haute performance en particulier diodes SCHOTTKY pour le redressement, transistors MOS de puissance haute tension pour le découpeur, condensateurs à très faible résistance série pour le filtrage et ferrites haute fréquence pour les transformateurs et inductances. Ainsi, dans les alimentations à découpage actuelles, la fréquence de découpage peut maintenant atteindre quelques centaines de kilohertz. Il en résulte qu'il est nécessaire de concevoir des transformateurs ayant un très fort couplage pour limiter la chute de tension due à l'inductance de fuite entre primaire et secondaire, pour réduire les surtensions dues au découpage, pour améliorer le rendement et pour minimiser les radiations électro-magnétiques engendrées par le transformateur.

[0003] Il existe un grand nombre de transformateurs qui sont conçus pour obtenir un fort couplage. Par exemple la demande de brevet français N° 80 03978 décrit un mode de réalisation de transformateurs à plaques où une forte imbrication primaire-secondaire permet un excellent couplage. Cependant la forte capacité parasite et les caractéristiques de l'isolant, forcément mince, limitent l'application de ce genre de transformateurs à des fréquences et des puissances modérées. D'autre part, on peut montrer que pour des tensions de sorties redressées et filtrées inférieures à 10 volts, et à condition d'atteindre des fréquences de découpage de quelques centaines de kilohertz, il est possible de n'avoir qu'une seule spire au secondaire.

[0004] On connaît dans l'art antérieur des transformateurs dont un des enroulements est constitué par une spire unique entourant un noyau magnétique. Cependant ces transformateurs ne présentent pas un couplage suffisant pour éviter les radiations électro-magnétiques.

[0005] L'invention a donc pour but de remédier aux inconvénients précités de l'art antérieur et a pour objet un transformateur électrique comprenant un premier enroulement couplé magnétiquement à un deuxième enroulement constitué par une spire caractérisé en ce que la spire est constituée par un élément conducteur de faible épaisseur constituant une surface qui forme une enveloppe presque fermée qui épouse la surface dudit premier enroulement.

[0006] D'autres caractéristiques apparaîtront également dans la description suivante, faite à titre d'exemple seulement, et les dessins annexés.

La figure 1 représente une vue éclatée en perspective d'un mode de réalisation du transformateur selon l'invention.

La figure 2 montre une vue en perpective et en coupe selon un plan axial des spires en position sur un demi-noyau magnétique.

La figure 3A représente une vue de dessus par rapport à la représentation de la figure 2 de la spire secondaire munie de connections électriques fixées sur cette spire.

La figure 3B montre une coupe selon un plan axial d'une partie des éléments de la figure 3A.

La figure 4 montre des variantes de réalisation d'une partie de la spire secondaire.

La figure 5 montre le transformateur complet vu en coupe selon un plan axial.

La figure 6 montre une section d'une variante de réalisation de l'enroulement primaire.

La figure 7 montre un mode de réalisation particulier de la spire secondaire.

La figure 8 montre un autre exemple de réalisation de la spire secondaire.

Les figures 9A à 9D représentent différentes variantes de fabrication de la spire secondaire.

La figure 10 représente en vue de dessus l'ensemble du transformateur muni d'ailettes de refroidissement.

[0007] La figure 1 représente un exemple de réalisation d'un transformateur adapté à un circuit magnétique constitué par deux parties 6,7 en forme de E montées en tête-bêche et à jambe centrale ronde 6a, 7a. Il est évident que le même procédé pourrait être utilisé pour tout type de circuit magnétique, moyennant une modification des formes de la spire secondaire 1 et de l'enroulement primaire 2. L'enroulement primaire 2 est réalisé à part selon des techniques classiques.

[0008] Selon ce mode de réalisation, la spire secondaire 1 est réalisée à partir de deux pièces cylindriques concentriques la, lb en cuivre par exemple, de faible épaisseur et munies chacune d'une fente 10a, lOb. Ces fentes lOa, 10b sont aménagées selon une génératrice de ces cylindres et placées en vis-à-vis. A l'une des extrémités de ces cylindres (non visible sur la figure 1) est placée une pièce annulaire 3a également en cuivre qui permet de fermer d'un côté le volume compris entre ces deux cylindres la, lb de façon à former une cuvette annulaire à section en forme de U. L'enroulement primaire 2 a la forme d'un anneau cylindrique de même hauteur que les cylindres la, lb de façon à pouvoir se loger dans l'espace compris entre les deux cylindres la, lb. Une seconde pièce annulaire conductrice 3 peut être disposée de façon à fermer complètement l'espace incluant l'enroulement primaire 2. Ces pièces annulaires 3, 3a sont également fendues selon les fentes radiales 31 en vis-à-vis des fentes 10a 10b pratiquées dans les cylindres la, lb. Des rondelles isolantes 5,8 munies d'une partie cylindrique recouvrant au moins partiellement les jambes 6a, 7a viennent compléter cet ensemble pour assurer l'isolement électrique entre le noyau magnétique 6, 7 et les enroulements 1,2 du transformateur. Des plaques de connection 4 sont prévues pour assurer la jonction électrique entre le secondaire 1 et l'extérieur.

[0009] Afin de permettre le passage de conducteurs 9 d'alimentation de l'enroulement primaire 2 et éventuellement pour le branchement d'anneaux de garde, des ouvertures 32 sont pratiquées dans une des pièces annulaires 3. Il en est de même pour une des rondelles isolantes 5,8 qui peuvent être également fendues pour faciliter le montage des plaques 4.

[0010] La figure 2 représente une coupe de l'ensemble comprenant la spire secondaire 1, l'enroulement primaire 2 et un demi-noyau magnétique 6. La pièce annulaire 3a constitue la partie inférieure de la cuvette formée par la spire secondaire 1. Cet élément 3a permet de réaliser la jonction électrique et thermique entre la partie intérieure lb de la spire et sa partie extérieure la. Les fentes 10a, 10b pratiquées dans les cylindres intérieur lb et extérieur la de la spire 1 assurent une isolation électrique entre les lèvres de ces fentes. Les lèvres de la fente extérieur 10a est utilisées comme borne de sortie du transformateur.

[0011] La figure 3A représente une vue de dessus de la spire secondaire 1 placée sur le demi-noyau magnétique 6. Les plaques 4 sont fixées par soudure aux lèvres de la fente lOa pratiquées sur le cylindre extérieur la. Avantageusement, ces plaques peuvent être réalisées sous forme d'un circuit imprimé multicouche, ce qui permet d'y placer directement les circuits extérieurs d'utilisation.

[0012] La figure 3B représente une autre vue en coupe de cet ensemble et montre la spire 1 fermée par la pièce annulaire 3 et la connection entre les plaques 4 et le cylindre extérieur la de la spire secondaire.

[0013] La figure 4 montre divers modes de réalisation de la pièce annulaire 3. Il est nécessaire que cette pièce annulaire présente une ouverture permettant notamment le passage des fils 9 de l'enroulement primaire 2 contenus à l'intérieur des deux cylindres. Selon la figure 1, cette pièce annulaire 3 peut être un anneau complet à l'exception d'une fente et plusieurs ouvertures 32 en nombre égal au nombre de fils qu'il est nécessaire de sortir du volume contenu entre les deux cylindres. Toutefois on peut se contenter de modes de réalisation simplifiés où l'on pratique simplement un découpage dans l'anneau 3. Ce découpage peut prendre la forme d'un secteur, d'un demi anneau ou être obtenu par découpage selon une corde. La jonction électrique entre le cylindre intérieur et le cylindre extérieur de la spire secondaire est assurée par la partie restante de l'anneau 3.

[0014] La figure 5 représente une coupe de l'ensemble du transformateur une fois monté. Les deux demi-noyaux magnétiques 6,7 sont montés bout-à-bout de façon à fermer complètement le circuit magnétique. La spire primaire 2 est entièrement contenue entre les deux cylindres la, lb de la spire secondaire 1. Il est prévu également des anneaux de garde lla, llb servant à réduire les courants capacitifs entre le primaire et le secondaire. Ces anneaux de garde cylindriques sont intercalés entre l'enroulement primaire 2 et les cylindres la, lb et sont prévus pour être reliés électriquement à un point du circuit à faible excursion de tension par des conducteurs traversant également les ouvertures 32 de la pièce annulaire 3. Les rondelles 5,8 isolent la spire 1 du noyau 6,7.

[0015] La figure 6 montre une section d'un mode de réalisation particulier de l'enroulement primaire 2. Cet enroulement est réalisé à l'aide d'une bande isolante et d'une bande métallique conductrice et enroulées ensemble sur elles- même de façon à former une bobine. Dans ce cas, la première ou la dernière spire peut servir d'anneau de garde.

[0016] La figure 7 représente un autre mode de réalisation de la spire secondaire 1. Cette spire est formée comme précédemment par un premier cylindre extérieur la. Par contre le cylindre intérieur présente une rainure externe en spirale 12 destinée à recevoir les conducteurs de l'enroulement primaire. Cette réalisation permet d'obtenir un couplage magnétique plus serré.

[0017] La figure 8 montre encore un autre mode de réalisation de la spire secondaire 1. On exécute d'abord la partie cylindrique interne lb éventuellement munie des anneaux 3a, 3. Ensuite, on utilise une bande de métal bon conducteur que l'on préforme pour constituer à la fois le cylindre extérieur la et les deux plaques de connexion 4. Après avoir placé l'enroulement primaire sur la partie cylindrique interne lb, on effectue l'assemblage du cylindre externe la, muni des plaques 4, par soudure de celui-ci sur la ou les parties annulaires 3a, 3.

[0018] Il est bien évident que l'on peut utiliser divers procédés pour fabriquer cette spire secondaire. On peut la réaliser par exemple par moulage, estampage, emboutissage ou usinage. Il est également possible de réaliser la spire secondaire par croissance électrolytique sur la surface isolante qui entoure le bobinage primaire. Dans ce dernier cas, des masques auront bien sûr été prévus pour ménager les fentes 10a et lOb.

[0019] Dans le cas où les deux cylindres la, lb et une des pièces annulaires 3, 3a sont fabriqués d'une seule pièce, ces éléments de la spire secondaire 1 peuvent servir de moule facilitant ainsi le calage et la fabrication de l'isolant de la bobine primaire 2.

[0020] Les figures 9a à 9d concernent d'autres variantes de réalisation de la spire secondaire 1. Chacune de ces figures représente seulement une section de la spire 1. L'ensemble de la spire se déduit de la représentation de ces figures par rotation autour de l'axe de révolution X X de la spire secondaire.

[0021] Selon la figure 9a la spire secondaire 1 est réalisée à partir de deux cuvettes lc, ld à section en forme de U, qui sont mises bout-à-bout de façon à enfermer la spire primaire.

[0022] La figure 9b représente un mode de réalisation voisin du précédent mais selon lequel la cuvette lg recouvre particulièrement la cuvette lh sur sa surface extérieure.

[0023] Selon la figure 9c, chaque cylindre la, lb et un des anneaux 3, 3a sont fabriqués d'une seule pièce le, lf.

[0024] Selon la figure 9d, le cylindre intérieur lb et les deux anneaux 3, 3a sont fabriqués d'une seule pièce li. Dans ce cas, l'enroulement primaire 2 doit être bobiné directement sur le cylindre intérieur lb.

[0025] Tous ces modes de réalisation montrent que par sa conception, le transformateur selon l'invention permet une fabrication simple de la spire secondaire 1 ainsi qu'un montage et une fabrication aisés de l'enroulement primaire 2.

[0026] La figure 10 représente une vue de dessus de l'ensemble du transformateur. Selon une autre caractéristique avantageuse, il est prévu des ailettes de refroidissement 13 directement fixées, par exemple par soudage ou par moulage, sur la surface extérieure de la spire secondaire l. Cette réalisation permet d'obtenir un refroidissement maximal du transformateur, ce qui permet d'augmenter sa puissance de fonctionnement.

[0027] Il est à noter que tous les modes de réalisation de la spire secondaire décrits précédemment permettent d'obtenir un refroidissement optimal du transformateur. En effet, la partie qu'il est indispensable de refroidir en priorité est l'intérieur du transformateur, or d'après la conception de la spire primaire réalisée sous forme de feuilles conductrices, le cylindre intérieur lb, la partie annulaire 3a et le cylindre extérieur la présentent une très bonne conduction thermique. Ainsi les calories qui sont dégagées à l'intérieur du noyau magnétique sont facilement évacuées vers l'extérieur. Par ailleurs le fait d'utiliser comme connection extérieure des plaques 4 de grandes dimensions favorise davantage les échanges thermiques et donc le refroidissement du transformateur, même en l'absence d'ailettes.

[0028] Il est à noter que les modes de réalisation présentés aux figures 9a à 9d permettent également de réaliser des branchements en série de deux demi-spires. Dans ce cas il est évident que les demi-spires doivent être isolées par construction l'une de l'autre. Un branchement en série, à l'aide de connexions extérieures, permet alors d'obtenir une tension secondaire double par rapport au cas où ces spires seraient en parallèle.

[0029] L'invention peut être utilisée pour alimenter les circuits d'ordinateurs. On peut obtenir au secondaire un débit de 120 ampères sous une tension de 5 volts en utilisant comme noyau une ferrite de section centrale de 1,5 0 2 Cm₂ et ayant une dimension de 4 à 5 cm. Le transformateur ainsi réalisé peut travailler à une fréquence de 400 kilohertz. Il présente un excellent couplage primaire-secondaire et des connexions avec l'extérieur à très basse impédance. La capacité parasite entre le primaire et le secondaire est faible. Enfin la spire secondaire étant presque fermée, celle-ci constitue un blindage par rapport aux tensions primaires élevées qui réduit le rayonnement électromagnétique.

Revendications

1. Transformateur électrique comprenant un premier enroulement (2) couplé magnétiquement à un deuxième enroulement constitué par une spire (1) caractérisé en ce que la spire (1) est constituée par un élément conducteur de faible épaisseur constituant une surface qui forme une enveloppe presque fermée qui épouse la surface dudit premier enroulement (2).

2. Transformateur selon la revendication 1 caractérisé en ce que le premier enroulement (2) est un bobinage en forme de cylindre évidé en son centre et en ce que ladite surface de ladite spire est constituée :

- par deux cylindres concentriques (la, lb) ayant des rayons tels que ledit bobinage s'ajuste dans le volume compris entre lesdits cylindres (la, lb)

- et par une surface annulaire (3a} s'appuyant sur les bords desdits cylindres (la, lb) à une extrémité de ceux- ci,

- en ce que ladite surface annulaire (3a) est fendue selon un rayon et en ce que chacun desdits cylindres est fendu selon une génératrice passant par la fente (31) pratiquée dans ladite surface annulaire (3a).

3. Transformateur selon la revendication 2 caractérisé en ce que ladite surface comprend une deuxième surface annulaire 3 fendue amovible disposée de la même façon que la première surface annulaire (3a) sur les bords de l'autre extrémité desdits cylindres (la, lb).

4. Transformateur selon la revendication 2 ou 3 caractérisé en ce que au moins une desdites surfaces annulaires (3a, 3) est ajourée pour permettre le passage de conducteurs électriques (9).

5. Transformateur selon l'une des revendications caractérisé en ce qu'il comprend un noyau magnétique (6, 7) possédant une première partie (6a, 7a) remplissant l'évidement dudit premier enroulement (2) et une deuxième partie fermant le circuit magnétique dudit noyau (6, 7) et en ce que des éléments isolants (5, 8) sont prévus pour isoler électriquement le noyau magnétique (6,7) de ladite spire (1).

6. Transformateur selon l'une des revendications 2 à 5 caractérisé en ce que la connection électrique de ladite spire (1) avec l'extérieur est réalisée au moyen de deux plaques (4) conductrices respectivement en contact électrique avec les deux lèvres de la fente (lOa) du cylindre extérieur (la) de ladite spire (1).

7. Transformateur selon la revendication 6 caractérisé en ce que lesdites plaques (4) sont constituées par un circuit imprimé multicouche.

8. Transformateur selon l'un des revendications 2 à 7 caractérisé en ce que le cylindre intérieur (lh) de la spire (1) présente une rainure (12) en spirale sur lequel vient se loger le conducteur isolé du premier enroulement (2).

9. Transformateur selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que des ailettes (13) de refroidissement en contact thermique avec l'air ambiant sont fixées directement sur la spire (1) du deuxième enroulement.

10. Transformateur selon l'une des revendications 2 à 9 caractérisé en ce que lesdits cylindres (la, lb) constituant la spire (1) du deuxième enroulement sont constitués par deux demi-cylindres (lc, ld, lg, lh) disposés bout-à-bout et par construction sans contact électrique direct, de façon à permettre un branchement en série des deux demi-cylindres.

Dessins