Topologies connues

On dénombre plusieurs types de topologies pour les transformateurs

intercellulaires monolithiques :

• les topologies en échelle ;

• les topologies circulaires basées sur des noyaux standards ;

• les topologies circulaires basées sur des noyaux non standards .

Dans cette partie du chapitre, on se concentre uniquement sur les topologies de base. En Annexe F, des détails supplémentaires sont présentés, comme les équations des flux ainsi que les schémas de réluctances. On y aborde aussi d’autres structures.

La Figure 2-55 représente un transformateur inter-cellules monolithique réalisé sur un

noyau magnétique standard (U et I) comportant q colonnes verticales sur lesquelles sont

placés les p bobinages (dans notre cas, q est égal à 7).

Figure 2-55: Topologie en échelle, flux réparti, [Costan 2008].

Les bobinages sont réalisés de manière à générer des flux dans le même sens. La tension aux bornes des bobinages est imposée par l’électronique de puissance (la cellule de commutation). D’après la loi de Faraday, le flux généré par chaque bobinage est directement proportionnel à la tension à ses bornes. Les flux sont donc soumis au même déphasage que les tensions de phases. L’énergie engendrée par chaque enroulement se mélange aux autres, et par conséquent, chaque bobinage doit être parcouru par le même courant alternatif à p.Fdec. Sur la Figure 2-55 tous les flux générés par les bobinages sont représentés. Les flux de fuites se referment essentiellement dans les zones d’air autour des bobinages. Une structure planar semble avantageuse pour favoriser ces inductances de fuites.

La Figure 2-57 montre l’évolution du flux dans les différentes parties du circuit magnétique présenté en Figure 2-56. Les flux sur les bords du circuit sont d’amplitude plus faible et de forme différente de ceux proches du centre. La Figure 2-58 présente la répartition du flux dans les différentes barres transversales du circuit magnétique. Elle met en évidence

que le circuit doit être surdimensionné sur les bords pour permettre un flux plus important dans les parties centrales.

Figure 2-56: Schéma de réluctance et position des flux transversaux magnétiques dans le coupleur

Figure 2-57: Flux transversal dans les

différentes parties du circuit magnétique.

Figure 2-58: Amplitude maximale du flux dans

les différentes barres transversales du circuit magnétique

Le partage des flux entre les différentes colonnes de bobinages n’est absolument pas équilibré. De plus, sur les bords du circuit magnétique, les flux sont totalement triangulaires et sinusoïdaux au centre de la structure. Ce mode de fonctionnement se traduit par une matrice d’inductance complexe, qui mène à des courants de phases déséquilibrés. Les répercussions sur les pertes fer, cuivre et semi-conducteur sont importantes. Equilibrer cette structure impose que le nombre de spires à appliquer sur chaque enroulement soit différent et dimensionné précisément. Elle reste malgré tout la plus simple à mettre en œuvre et la plus utilisée, Figure 2-4 page 46.

Les Figure 2-59 et Figure 2-60 représentent des transformateurs intercellulaires réalisés sur des noyaux magnétiques comportant p colonnes verticales (de section ronde ou carrée) sur lesquelles sont placés les q bobinages (q est ici égal à 7). Deux structures circulaires sont présentées :

1. La structure circulaire à flux canalisé est réalisée autour de deux disques de matériau

magnétique raccordés par les colonnes d’enroulements. Au milieu de cette structure, il

Position

existe une colonne centrale (commune) prévue avec un entrefer, c’est le bras de canalisation du flux, idéal pour contrôler les inductances de fuites.

2. La structure circulaire à flux réparti est réalisée avec deux anneaux qui forment un

circuit magnétique fermé reliant toutes les colonnes bobinées (sans entrefer). Les flux de fuites se referment essentiellement dans les zones d’air autour des bobinages.

Figure 2-59: Structure 1 : circulaire à flux

canalisé [Costan 2007].

Figure 2-60: Structure 2 : circulaire à flux

réparti [Costan 2007].

L’obstacle à la mise en œuvre pratique de ces structures vient de la géométrie des noyaux magnétiques, car ils ne sont pas basés sur des noyaux standards. Ces deux topologies peuvent donner rigoureusement les mêmes performances électriques [Schultz 2002].

La Figure 2-61 montre l’évolution du flux dans les différentes parties du circuit magnétique présenté en Figure 2-60. Les flux sont tous de formes et d’amplitudes identiques

et déphasés de 2.π/N. La Figure 2-62 montre la répartition des amplitudes du flux dans le

circuit magnétique. Cette topologie donne une répartition parfaitement uniforme en tous points de la structure. Aucun surdimensionnement n’est à prévoir.

Figure 2-61: Flux transversal dans les différentes

parties du circuit magnétique.

Figure 2-62: Amplitude maximale du flux dans les

La topologie circulaire présentée par la suite est basée sur des noyaux standards. De part sa géométrie particulière, elle ne peut être utilisée que pour un nombre pair de cellules, supérieur ou égal à 4 [Costan 2007]. Le but des structures circulaires est de supprimer l’effet de bord observé dans les structures en échelle. Nous obtenons ainsi une répartition uniforme

du flux dans toute la structure magnétique.

Considérons un convertisseur à 8 cellules entrelacées. La topologie proposée est illustrée dans la Figure 2-63. Le transformateur intercellulaire comporte huit bobinages, dont six réalisés autour des axes verticaux et deux autour de l’axe horizontal.

Figure 2-63: Topologie 1 : E verticaux bobinages concentriques [Costan

2007].

Les Figure 2-64 et Figure 2-65 montrent l’évolution du flux dans les différentes parties du circuit magnétique. Les flux sont tous de formes identiques. On distingue 4 familles, composés chacunes de flux traversant 4 différentes barres transversales.

Figure 2-64: Flux transversal dans les différentes

parties du circuit magnétique.

Figure 2-65: Amplitude maximale du flux dans les

différentes barres transversales du circuit magnétique Comme dans le cas des transformateurs de couplage, les calculs analytiques montrent la réduction des valeurs crêtes des flux transversaux en mode permuté. La réduction du flux

crête traversant les colonnes de liaison conduit évidemment à une réduction de la section de fer. Cette diminution des amplitudes est observée dans toutes les structures. De plus, ce type d’alimentation modifie la répartition des flux dans les barres transversales des circuits magnétiques, exemple Figure 2-58 et Figure F-21 (en annexe). Les flux sont plus équitablement répartis dans la structure, la variation des amplitudes maximales est nettement atténuée ainsi que les effets de bord.