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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