Afin de pouvoir réaliser une cartographie des technologies actuellement utilisées pour réaliser
des TMF, un outil de classification a été réalisé au début de la thèse. Cet outil permet de
référencer les designs et prototypes de TMF présents dans la littérature, en fonction de leurs
spécifications et de leurs technologies. Il a été utilisé pour la mise en place d’une veille
technologique tout au long de la thèse, et permet également de dresser certaines conclusions
quant aux technologies dominantes selon les spécifications.
Au niveau des spécifications, chaque référence est renseignée à l’aide de la puissance du TMF,
de sa tension nominale la plus grande et de sa fréquence de fonctionnement. Les choix
technologiques, quant à eux, sont divisés en cinq catégories correspondant à celles présentées
en 1.2 : géométrie, noyau magnétique, conducteur, isolation et refroidissement. Le Tableau 1
ci-dessous dresse la liste des possibilités retenues pour chaque technologie.
Tableau 1 : Liste des choix technologiques de l'outil de classification
Matériau
magnétique Conducteurs Structure Isolation Refroidissement
Fer-Silicium Câble plein À colonnes
(Core-type) Solide (« sec ») Air naturel
Amorphe Câble Litz
(multibrins)
Cuirassé
(Shell-type) Liquide Air forcé
Nanocristallins Feuillard Toroïdal Gaz Liquide
Ferrite Tube Coaxial Matriciel
(Matrix)
L’outilse présente sous la forme d’une application graphique (voir Figure 15) permettant :
x D’ajouter et de supprimer facilement des références à la base de données ;
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x De représenter sur un graphique les éléments chiffrés liés à une référence, à savoir la
puissance, la fréquence, la tension nominale, l’induction de travail mais également
l’année ;
x De filtrer et trier les références selon ces mêmes données chiffrées ;
x De légender les graphiques selon les cinq catégories de choix technologiques.
Figure 15 : Interface de l'outil de classification des TMF
La recherche bibliographique réalisée jusqu’à présent a permis de relever plus de 110 références
de TMF dans la littérature scientifique, ainsi que chez les produits des fabricants de
transformateurs. La liste complète de la base de données est disponible en Annexe 1. Compte
tenu du nombre important de références, il est compliqué de tirer des conclusions depuis le
tableau. C’est pourquoi une analyse via différents graphiques permet de mettre en évidence plus
facilement les tendances. Comme on peut le voir sur la Figure 16, les références de TMF sont
relativement récentes, les plus anciens relevés datant des années 1990, et la grande majorité
après les années 2000. Le nombre de références par année continue de croître ces dernières
années, ce qui souligne l’émergence de cette technologie. De plus, on peut remarquer une
corrélation entre la puissance des TMF et l’année de réalisation : la montée en puissance des
TMF est une innovation récente. Une autre information n’apparaissant pas sur ce graphique est
que non seulement la puissance des TMF augmente avec les années, mais surtout leur densité
de puissance également. Malheureusement, certaines informations concernant les performances
(densité de puissance, rendement) des TMF n’ont pas pu être collectées. En effet, de
nombreuses références ne communiquent pas forcément de données chiffrées sur ces points, et
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(volume des parties actives seules ou non, design seulement, prototype validé
expérimentalement, conditions de tests, etc...), ce qui rend toute comparaison hasardeuse. On
remarque d’ailleurs que la plupart des références forte puissance sont seulement à l’étape de
design. Parfois des validations par des simulations multiphysiques existent, mais sans
réalisation de prototype. Ceci s’explique par les coûts mis en jeu qui sont très importants pour
des prototypes supérieurs à 1 MW.
Figure 16 : Puissances des TMF de la base de données en fonction de l’année de réalisation
Parmi ces références de TMF, il peut être intéressant de regarder quels choix technologiques
ont été retenus en fonction de la puissance et de la fréquence de fonctionnement, afin
d’identifier les tendances générales et de constituer une aide à la décision lorsqu’un nouveau
cahier des charges de TMF se présente.
Le premier graphique Figure 17 montre la répartition entre transformateurs monophasés et
triphasés. Même si ce choix est principalement conditionné par le convertisseur (impossible
d’utiliser un transformateur triphasé si le convertisseur est monophasé), on observe une
écrasante majorité de TMF monophasés dans la base de données, et cela ne semble pas vraiment
dépendre de la puissance ou de la fréquence. Ceci s’explique principalement par la complexité
plus importante des structures triphasées, que ce soit côté convertisseur ou côté transformateur.
Par exemple, la constitution d’un noyau magnétique ayant une géométrie adaptée pour le
triphasé est délicate avec certains matériaux magnétiques adaptés à la moyenne fréquence,
comme les noyaux enroulés (amorphes et nanocristallins) et les ferrites. En conséquence, même
pour un convertisseur triphasé, il peut s’avérer plus simple de réaliser trois transformateurs
monophasés indépendants pour des raisons de fabrication.
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Figure 17 : Classification des TMF en fonction du nombre de phases
Pour ce qui est du choix du matériau magnétique, on retrouve typiquement sur la Figure 18 la
répartition en gamme de fréquence décrite au paragraphe 1.2.1. Les tôles fer-silicium sont
utilisées jusqu’à des fréquences proches du kilohertz, puis on retrouve successivement, avec la
montée en fréquence, les amorphes, les nanocristallins et enfin les ferrites. Si les ferrites
permettent de se placer dans une région où le nanocristallin ne peut aller, c’est-à-dire les
fréquences élevées, il semble que les amorphes soient en retrait par rapport aux nanocristallins :
ils ne permettent d’atteindre ni des puissances, ni des fréquences élevées. La seule exception
correspond à une utilisation en remplacement des tôles fer-silicium, pour des fréquences faibles,
afin d’obtenir un meilleur rendement.
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Sur la Figure 19, il n’apparait pas de tendance évidente quant au choix des bobinages par rapport
à la puissance et à la fréquence. Les solutions avec câbles de Litz et feuillards dominent en
termes de quantité, mais se trouvent à différents niveaux de puissance et fréquence. Les
transformateurs avec câbles de Litz semblent toutefois être situés sur la frontière haute en
termes d’association forte puissance et haute fréquence, même si cette tendance n’est pas
franche. Cela signifie que ce choix technologique n’est pas évident et que les deux alternatives
sont souvent à considérer dans le cas des TMF, quel que soit le cahier des charges. Pour les
technologies à câble plein (méplat émaillé, CTC), on les retrouve souvent pour des puissances
et fréquences inférieures à celles atteignables avec du câble de Litz ou du feuillard, ce qui
indique une performance moindre. Cette situation était prévisible étant donné la difficulté à
gérer les effets de peau et de proximité avec une telle technologie. Enfin, les transformateurs
avec des bobinages en tube sont relativement rares, mais sont compétitifs dans une certaine
gamme de fréquence et de puissance (autour du kilohertz et de plusieurs centaines de kilowatts).
Il s’agitdonc d’une technologie de niche, performante mais très spécifique.
Figure 19 : Classification des TMF en fonction des technologies de bobinages
En ce qui concerne la géométrie retenue, on constate une écrasante majorité de transformateur
core-type ou shell-type sur la répartition montrée en Figure 20. Là encore, aucune de ces deux
géométries ne semble avoir le dessus sur l’autre, et il faudra donc souvent considérer les deux
solutions quel que soit le cahier des charges. En revanche, les structures plus originales telles
que coaxiale, toroïdale ou matricielle sont en deçà des structures core-type et shell-type en
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Figure 20 : Classification des TMF en fonction de la géométrie
Comme on peut le voir sur la Figure 21, l’isolation des TMF est majoritairement réalisée à
l’aide de matériaux solides, c’est-à-dire des transformateurs « secs » utilisant une combinaison
d’isolation solide et/ou air. Cela s’explique car la majorité des TMF de la base de données
fonctionnent à des tensions maximales de quelques kilovolts et ne prétendent pas avoir une
isolation galvanique au-delà de 10-20 kV, ce qui est facilement obtenable avec des
transformateurs secs. Pour les rares transformateurs nécessitant une isolation plus importante,
la solution liquide (à huile ou liquide diélectrique synthétique) est la plus traditionnelle, mais
des designs avec une encapsulation complète dans une résine solide des bobinages montrent
aussi l’intérêt de telles solutions d’isolation pour les TMF. En revanche, l’isolation avec gaz
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Figure 21 : Classification des TMF en fonction de l'isolation
Enfin, la solution de refroidissement utilisée est fortement liée à la puissance du TMF. D’après
la Figure 22, on constate que pour de faibles puissances, jusqu’à 10 kW, on ne trouve
quasi-exclusivement que du refroidissement à air naturel, suffisant pour évacuer les pertes. Ensuite,
le refroidissement à air forcé commence à être utilisé, et enfin le refroidissement liquide pour
des puissances supérieures à 100 kW. Il semble donc possible a priori d’anticiper le besoin d’un
système de refroidissement performant ou non selon l’ordre de grandeur de la puissance du
TMF.
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En plus de l’analyse des choix technologiques, on peut également identifier certaines
corrélations entre des grandeurs caractéristiques des TMF. Notamment, une corrélation plutôt
évidente est l’association de la forte puissance avec des tensions importantes, comme on peut
le voir sur la Figure 23. On remarque également que la grande majorité des TMF possède des
tensions de fonctionnement inférieures à 10 kV, ce qui est fortement corrélé aux possibilités
offertes par les semi-conducteurs actuels.
Figure 23 : Corrélation entre puissance et tension pour les TMF de la base de données
On peut voir sur la Figure 24 que l’induction de fonctionnement est d’autant plus faible que la
fréquence de fonctionnement est grande, ce qui vient donc limiter le gain en compacité sur le
noyau magnétique. Cette limitation est principalement due au fait qu’une fréquence de
fonctionnement plus importante nécessite un matériau magnétique adapté pour limiter les
pertes, et que ces matériaux présentent généralement une induction à saturation de plus en plus
faible. Egalement, il peut être nécessaire de réduire l’induction de fonctionnement par rapport
aux possibilités maximales du matériau seulement afin de réduire les pertes, pour des
problématiques de rendement et/ou de refroidissement.
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Figure 24 : Corrélations entre induction maximale et fréquence de fonctionnement pour les TMF de la base de données