Les Objets Magnétiques

5.2.1 Inductances

Dans les convertisseurs statiques, il y a essentiellement trois types de noyaux qui sont utilisés : 1) ceux qui permettent de créer très facilement un entrefer comme les noyaux ferrite en U ou E ; 2) ceux qui utilisent des entrefers distribués, typiquement des noyaux en forme de tore en poudres de fer 3) des tores en matériau nanocristallin. Les premiers donnent une inductance plus stable en fonction du niveau de courant DC (valeur globale stabilisée par la contribution de l’entrefer), tandis que ceux qui n’ont pas d’entrefer subissent directement la variation des propriétés du matériau.

Les noyaux sans entrefers canalisent mieux le champ et génèrent ainsi moins de perturbations. L’épanouissement du champ autour des entrefers peut également occasionner des pertes supplémentaires dues aux courants de Foucault induits chez les conducteurs [170]. Les noyaux toroïdaux offrent peu de degrés de liberté quant à l’assemblage et la réalisation de noyaux multifenêtres qui nous intéressent particulièrement dans cette étude.

En utilisant un noyau U ou E, le bobinage peut être réalisé de différentes manières, comme on peut le voir Figure 5.1. En partageant le bobinage dans les deux jambes du noyau U, la surface d’échange entre le cuivre et l’air augmente, autorisant ainsi une meilleure dissipation thermique, Figure 5.1 b). Le bobinage concentrique sur un noyau E possède moins de surface d’échange, néanmoins le champ magnétique extérieur est plus faible puisque quasiment tout le bobinage est à l’intérieur du noyau magnétique, voir Figure 5.1 c). Cette dernière configuration est plus adaptée aux fortes ondulations de courant, où le champ alternatif est plus élevé.

a) b) c)

Figure 5.1 – Formes des inductances a) Une seule bobine dans un noyau U b) Deux bobines dans un noyau U c) Une bobine dans un noyau E

5.2.2 Transformateurs inter-cellules

Dans les structures multicellulaires parallèles, on peut utiliser des composants magnétiques particuliers qui ont une fonction de filtrage comme les inductances classiques, mais qui ont également une fonction de couplage afin de bénéficier de l’entrelacement au niveau de chaque phase et de réduire les ondulations de courant individuelles. Par analogie avec les ‘transformateurs interphases’ utilisés classiquement dans les redresseurs polyphasés 50 ou 60Hz, ces composants sont baptisés transformateurs inter cellules ou InterCell Transformer (ICT). Les ICT possèdent divers avantages par rapport aux inductances séparées, comme par exemple une réduction de l’ondulation du courant des phases, voir [132], ainsi que le fait de découpler les modes communs des modes différentiels de flux. En conséquence, le champ magnétique généré par le courant DC empruntera un chemin plus réluctant, normalement situé dans l’espace entre les deux bobinages. Ainsi, l’induction magnétique DC créée est de plus faible valeur, voir Chapitre 3.2.6. En outre, dans les travaux de thèse menés en [171], l’auteur montre que le couplage deux à deux des phases, dans une configuration dite cascade cyclique, s’avère plus performante et plus rentable pour les applications fort courant/basse tension.

Même si l’usage des ICTs amène de nombreux avantages, il convient de rester vigilant quant à leur dimensionnement et leur utilisation. En effet, les coupleurs sont a priori très sensibles aux déséquilibres de courants qui peuvent amener à leurs saturations. De plus, le système couplé n’est a priori pas robuste à la déconnexion d’une des cellules du convertisseur en cas de défaut. Néanmoins, un surdimensionnement adapté de l’ICT peut permettre un fonctionnement avec des phases défaillantes ou volontairement arrêtées [172].

Différentes structures de coupleurs peuvent être trouvées dans la littérature. Nous présentons Figure 5.2 trois réalisations. Dans ces configurations nous trouvons deux types de coupleurs : 1) des coupleurs monolithiques, c’est-à-dire que les phases partagent un seul noyau magnétique, Figure 5.2 a) et b) ; et 2) des coupleurs séparés, c’est-à-dire que les phases sont couplées deux à deux par des noyaux séparés, voir Figure 5.2 c). La construction des

noyaux monolithiques peut être réalisée par association de noyaux de formes U, E ou I classiques.

a) b) c)

Figure 5.2 – Différentes formes d’ICT ;a)monolithique en échelle linéaire, b) monolithique en échelle rectangulaire, c) cyclique cascade avec des noyaux séparés

5.2.3 Transformateur

Les transformateurs classiques possèdent également deux bobines au sein d’une seule fenêtre magnétique. La principale différence entre un transformateur classique et un transformateur inter-cellules vient du mode d’alimentation de ses bobinages. Tandis que pour dans les transformateurs inter-cellules les deux bobinages possèdent des tensions imposées, dans les transformateurs classiques, la tension n’est imposée que dans un seul des deux enroulements.

Dans un transformateur, les deux enroulements sont presque systématiquement superposés et parfois même entrelacés afin de réduire les inductances de fuites. Par contre, dans un ICT utilisé dans un convertisseur entrelacé, les bobinages sont normalement placés côte à côte, ou même éloignés, afin d’augmenter l’inductance de fuite qui est dans ce cas responsable du filtrage du courant. Cette inductance voit la différence des flux causés par les différentes tensions appliquées aux deux bobinages d’une fenêtre.

L’usage des noyaux en E est une des formes les plus communes pour la fabrication des transformateurs, voir Figure 5.3. Dans cette forme le bobinage, les conducteurs sont majoritairement concentrés à l’intérieur de la fenêtre, ce qui aide à réduire les inductances de fuite entre les bobinages.

Figure 5.3 – Forme d’un transformateur en noyau E

5.2.4 Transformateur Inter-Cellules isolé

Les transformateurs inter-cellules isolés sont une composition entre les transformateurs et les inductances couplées. A l’intérieur d’une fenêtre se trouvent quatre enroulements, voir Figure 5.4.

Les deux enroulements qui constituent une phase du transformateur sont bobinés sur une même jambe du noyau magnétique. Comme pour les transformateurs, nous recherchons une structure qui possède très peu de conducteurs à l’extérieur de la fenêtre (têtes de bobines) afin de réduire les inductances de fuites entre les enroulements primaires et secondaires du

transformateur. Les enroulements de couplage des deux phases sont placés sur une autre jambe du circuit magnétique afin d’augmenter l’inductance de fuite.

Les formes de noyau de la Figure 5.4 b) et c) se prêtent bien à ce dernier propos. La configuration montrée Figure 5.4b) possède uniquement des bobinages horizontaux et les fenêtres latérales possèdent une taille différente des autres. La forme de la Figure 5.4c) possède des bobinages spécifiques pour les fenêtres latérales. Cette dernière configuration s’avère plus difficile à réaliser pour des bobines à plusieurs tours sur circuit imprimé.

a) b) c)

Figure 5.4 – Différentes formes d’ICT isolés a ) Forme monolithique Retangulaire b) Forme monolithique cyclique c) Forme monolithique cyclique II