EP4174884A1 - Structure innovante de composant electromagnetique planar - Google Patents

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EP4174884A1
EP4174884A1 EP22202891.2A EP22202891A EP4174884A1 EP 4174884 A1 EP4174884 A1 EP 4174884A1 EP 22202891 A EP22202891 A EP 22202891A EP 4174884 A1 EP4174884 A1 EP 4174884A1
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EP
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turns
primary
layers
vias
winding
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EP22202891.2A
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Cédric COLONNA
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3D Plus SA
Original Assignee
3D Plus SA
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    • H01F3/00—Cores, Yokes, or armatures
    • H01F3/10—Composite arrangements of magnetic circuits
    • H01F3/14—Constrictions; Gaps, e.g. air-gaps

Definitions

  • FIG. 1 schematically represents an example of implementation of a planar magnetic component 5 according to the state of the art.
  • This component 5 consists of an electrical circuit 6, consisting of one or more windings 7, themselves consisting of one or more turns (7-1, 7-2, 7-3, 7-4). These windings aim to produce a magnetic field. This field can be used for energy storage (inductance) or for transfer (transformer).
  • Component 5 comprises a ferromagnetic core 8, which channels the magnetic field. We then speak of a magnetic circuit.
  • This core 8 can be made of several materials depending on the target application (power/frequency/price/size/performance).
  • the core 8 may comprise an air gap 9, a small air space in the circuit, extending parallel to the plane of the circuit.
  • the circulation of the current in the electrical circuit generates losses in the same way as the circulation of the magnetic field in the magnetic circuit.
  • the losses in the two elements are respectively called copper losses and iron losses. These losses are interrelated. It is therefore desirable to optimize the dimensions of each of the elements according to the application in order to maximize the performance of the assembly.
  • the invention aims to overcome all or part of the problems mentioned above by proposing a transformer comprising an innovative electromagnetic component structure making it possible to optimize the performance of the transformer by minimizing the losses, by improving the integration of the PCB (abbreviation of Printed Circuit Board, for printed circuit) by limiting vias on the periphery of components, by limiting parasitic inductances and improving couplings.
  • PCB abbreviation of Printed Circuit Board, for printed circuit
  • the ferromagnetic core comprises an air gap extending along a second axis substantially perpendicular to the first plane.
  • the transformer 10 comprises a secondary circuit 21 comprising a secondary winding 22 of N2 turns of a conductive electric wire, the secondary winding 22 extending from a secondary input terminal 23 towards a secondary output terminal 24 (N1 and N2 each being a whole number greater than or equal to 1).
  • the transformer 10 comprises a printed circuit 15 (broken down in the figure into several layers) extending along a first plane 16, and comprising a plurality of layers 17-1, 17-2, 17-3, 17-4, 17-5, 17-6, 17-7 superposed together and forming an opening 18 through the first plane 16 around a first axis Z1 and defining a perimeter 19.
  • Each of the N1 turns and the N2 turns wraps, from a first via of the plurality of vias 27, partially around the plurality of vias 27 forming an arc of a circle 28 per layer, towards a second via of the plurality of vias 27
  • the turn of the winding (primary or secondary) is not a complete turn, the turn is only 360° around the opening 18.
  • a few vias per layer do not are not surrounded by said tower.
  • the central arrangement of the vias brings great flexibility to the positioning of the layers which can be intercalated with respect to each other, and therefore to the positioning of the turns of the primary winding and of the secondary winding.
  • vias in the center of the magnetic component allows a simplified realization of the various windings. For this, it is possible to reproduce an elementary winding on each of the layers (b) in order to produce the desired winding. Only one turn is made per PCB layer. The passage between the different layers takes place via the central vias 27. One or more vias can be used for this purpose depending on the desired current in the windings and the size of the core 25 (and its central part 26).
  • FIG 4 schematically represents an example of implementation of the primary 12 and secondary 22 windings of a transformer 10 according to the invention. More specifically, the output winding is incorporated within the crown of central vias 27. In order to interleave the primary and secondary windings, here too the vias allowing the interconnections between the layers 17 are also interleaved.
  • the turns of the secondary winding can each be inserted between two turns of the primary winding and/or between a turn of the primary winding and a turn of the secondary winding.
  • This configuration is advantageous for a transformer since it allows better integration and facilitates the implementation of shielding in order to further limit the impact of proximity effects (and only in the case where the component has an air gap).
  • the minimization of the induction at the level of the interconnections allows the reduction of the losses.
  • the ferromagnetic core 25 comprises an air gap 29 extending along a second axis Z2 substantially perpendicular to the first plane 16.
  • the use of a vertical air gap 29 is made possible by machining existing cores or material bully.
  • planar cores most often have an air gap arranged on the central leg which causes the field to radiate in a direction parallel to the planar windings (see illustration on the left).
  • the configuration on the left of the figure represents a central copper conductor subject to leakage fields emanating from the two air gaps in the magnetic core.
  • the current densities are concentrated on the edges of the conductor which decreases the efficiency of the solution.
  • the magnetic field propagates in the core.
  • the field lines radiate around the air gap and these field lines tend to concentrate the currents flowing in the conductor outwards to such an extent that the current flows only on the outside, where the lines of field concentrate it. In other words, only a small part of the conductor is actually used.
  • the leakage fields arrive perpendicular to the conductor, which allows the current density and therefore the losses to be reduced. More precisely, in a vertical arrangement, the field radiates perpendicularly (see illustration on the right), which reduces the effects of proximity to the core and therefore reduces the concentration of current, at the ends, in the electrical circuit. The currents are concentrated on the surface and the entire conductor is used. This results in a positive impact on radiation. Thus, the resistance of the winding is decreased.
  • FIG. 6 schematically represents the induction between the conductors according to the alternation of the turns of the primary and secondary windings.
  • the conductors in a planar transformer are shown.
  • the layers annotated P1 represent the primary conductors while the layers annotated S1 represent the secondary conductors.
  • the turns of the primary winding and the turns of the secondary winding are arranged alternately, the choice of the alternation mode is facilitated according to the invention.
  • the turns of the primary winding and the turns of the secondary winding follow one another, without any alternation between the primary and secondary windings.
  • the profile of the theoretical induction is given (H).
  • FIG 7 schematically represents the homogenization of the current density in the input and output terminals of the primary and secondary windings arranged according to an embodiment of the invention.
  • This representation is based on an illustration from the Schafer 2018 publication Optimal Design of Highly Efficient and Highly Compact PCB Winding Inductors.
  • the input terminals 13, 23 are superimposed on the output terminals 14, 24 along a third axis Z3 substantially perpendicular to the first plane 16, as can be seen in the upper part on the right of the figure. This makes it possible to avoid field concentration phenomena between the two planes. With the terminals positioned in two different parallel planes, the current is more distributed throughout the plane and not just concentrated in the middle of a single plane.
  • the lower part of the figure represents the results of a finite element simulation of the current density with adjacent terminals (on the left of the figure) and superposed terminals according to the invention (on the right of the figure).
  • the implementation of the solution is profitable if it makes it possible to reduce total losses.
  • the reduction in the equivalent resistance of the conductors is a factor to be taken into account. Limiting this resistance makes it possible to facilitate primary resonance and therefore soft switching. In this particular case, it will therefore also be necessary to take into account the gain provided by this operation on the sizing of the magnetic.
  • FIG. 9 schematically represents a classic electrical diagram of a synchronous rectification.
  • the transformer ideal coupler
  • Rs represents the parasitic series resistance of the secondary winding and of the routing
  • QR the synchronous rectification transistor
  • DQR and CQR the parasitic components associated with this transistor.
  • Cout and Rout represent the output capacity of the converter and the load respectively.
  • FIG 10 schematically represents the optimization of the output terminals for synchronous rectification according to the invention.
  • the winding can be done using every other group of vias.
  • By optimizing the terminals of the transformer it is possible to improve the integration of the secondary in order to minimize the losses at the level of the synchronous rectification.
  • a lowering of the voltage is carried out between the primary and the secondary. This results in a voltage at the secondary lower than at the primary. It also means stronger secondary currents.
  • This improvement leads to a reduction in the resistance R s and in the parasitic inductances at the secondary. In addition, it allows an easier increase in the number of transistors in the synchronous rectification, which makes it possible to reduce the losses all the more.

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Abstract

L'invention concerne une structure innovante de transformateur planar, le transformateur (10) comprenant :
- un circuit primaire (11) comprenant un enroulement primaire (12) de N1 tours ;
- un circuit secondaire (21) comprenant un enroulement secondaire (22) de N2 tours ;
- un circuit imprimé (15) de couches superposées entre elles, formant une ouverture (18) définissant un pourtour (19) ;
- des vias (27) disposés au centre des enroulements primaire (12) et secondaire (22) sur le pourtour (19) de l'ouverture (18),
les N1 et N2 tours étant disposés chacun sur une couche, selon une alternance quelconque entre les N1 et N2 tours, chacun des N1 et N2 tours s'enroulant, partiellement autour des vias (27) en formant un arc de cercle (28) par couche ;
l'arc de cercle (28) d'une couche étant distinctement orienté par rapport aux arcs de cercle (28) des autres couches.

Description

  • La présente invention se situe dans le domaine des composants magnétiques planar, tels que les inductances, les inductances couplées, les transformateurs. L'invention porte plus spécifiquement sur une structure innovante de transformateur planar.
  • Actuellement, la quasi-totalité des alimentations à découpage intègrent des composants magnétiques. Ces composants peuvent être achetés comme composants grand public et ajoutés au design ou développés en interne. L'invention concerne cette seconde possibilité et en particulier une catégorie de composants magnétiques appelés planars (planaires en français). L'idée principale de cette technologie est d'intégrer les enroulements des composants à l'intérieur du PCB. Les composants magnétiques planar sont une solution pour l'intégration de puissance. Ces composants sont notamment réalisés à l'aide de noyaux magnétiques (ferrite) aplatis et d'enroulements réalisés en circuit imprimé (PCB). Les avantages de ces composants magnétiques planars sont multiples : ils permettent une meilleure intégration du composant dans le design, la reproductibilité des caractéristiques électriques du composant est accrue, ils permettent un design du composant sur mesures et donc, l'optimiser pour l'utilisation.
  • La figure 1 représente schématiquement un exemple d'implémentation d'un composant magnétique planar 5 selon l'état de l'art. Ce composant 5 se compose d'un circuit électrique 6, constitué d'un ou plusieurs enroulements 7, eux-mêmes constitués d'un ou plusieurs tours (7-1, 7-2, 7-3, 7-4). Ces enroulements visent à produire un champ magnétique. Ce champ peut être utilisé pour le stockage d'énergie (inductance) ou pour le transfert (transformateur). Le composant 5 comprend un noyau ferromagnétique 8, qui permet de canaliser le champ magnétique. On parle alors de circuit magnétique. Ce noyau 8 peut être réalisé dans plusieurs matériaux selon l'application cible (puissance/fréquence/prix/encombrement/performances). Le noyau 8 peut comprendre un entrefer 9, petit espace d'air dans le circuit, s'étendant parallèlement au plan du circuit.
  • La circulation du courant dans le circuit électrique génère des pertes de la même façon que la circulation du champ magnétique dans le circuit magnétique. Les pertes dans les deux éléments sont respectivement appelées pertes cuivre et pertes fer. Ces pertes sont interdépendantes. Il est donc souhaitable d'optimiser les dimensions de chacun des éléments en fonction de l'application afin de maximiser les performances de l'ensemble.
  • L'invention vise à pallier tout ou partie des problèmes cités plus haut en proposant un transformateur comprenant une structure innovante de composant électromagnétique permettant d'optimiser les performances du transformateur en minimisant les pertes, en améliorant l'intégration du PCB (abréviation de Printed Circuit Board, pour circuit imprimé) par limitation des vias en périphérie de composants, en limitant les inductances parasites et améliorant les couplages.
  • A cet effet, l'invention a pour objet un transformateur comprenant :
    • un circuit primaire comprenant un enroulement primaire de N1 tours d'un conducteur électrique, l'enroulement primaire s'étendant depuis un terminal primaire d'entrée vers un terminal primaire de sortie ; et
    • un circuit secondaire comprenant un enroulement secondaire de N2 tours d'un conducteur électrique, l'enroulement secondaire s'étendant depuis un terminal secondaire d'entrée vers un terminal secondaire de sortie, N1 et N2 étant chacun un nombre entier supérieur ou égal à 1 ;
    • le transformateur étant caractérisé en ce qu'il comprend :
      • un circuit imprimé s'étendant selon un premier plan, et comprenant une pluralité de couches superposées entre elles et formant une ouverture à travers le premier plan autour d'un premier axe et définissant un pourtour ;
      • un noyau ferromagnétique, disposé autour des enroulements primaire et secondaire, comprenant une partie centrale disposée dans l'ouverture ;
      • une pluralité de vias disposés au centre des enroulements primaire et secondaire sur le pourtour de l'ouverture, et s'étendant à travers les couches, chacun selon un axe parallèle au premier axe, la pluralité de vias étant configurés pour interconnecter la pluralité de couches ;
    • en ce que les N1 tours et les N2 tours du conducteur électrique sont disposés chacun sur une de la pluralité de couches, selon une alternance quelconque entre les N1 tours et les N2 tours, chacun des N1 tours et des N2 tours s'enroulant, depuis un premier via de la pluralité de vias, partiellement autour de la pluralité de vias formant un arc de cercle par couche, vers un deuxième via de la pluralité de vias ;
    • et en ce que l'arc de cercle d'une couche est distinctement orienté par rapport aux arcs de cercle des autres couches et d'orientation distincte des arcs de cercle des autres couches.
  • Avantageusement, le noyau ferromagnétique comprend un entrefer s'étendant selon un deuxième axe sensiblement perpendiculaire au premier plan.
  • Avantageusement, les terminaux d'entrée sont superposés aux terminaux de sortie selon un troisième axe sensiblement perpendiculaire au premier plan.
  • Avantageusement, au moins une parmi la pluralité de couches est un plan de blindage, préférentiellement un plan de masse.
  • L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description détaillée d'un mode de réalisation donné à titre d'exemple, description illustrée par le dessin joint dans lequel :
    • la Fig.1 représente schématiquement un exemple d'implémentation d'un composant magnétique planar selon l'état de l'art ;
    • la Fig.2 représente schématiquement un exemple de disposition, autour des vias centraux, des enroulements primaire et secondaire d'un transformateur selon l'invention ;
    • la Fig.3 représente schématiquement un exemple de vias disposés au centre des enroulements primaires d'une inductance selon l'invention ;
    • la[Fig.4 représente schématiquement un exemple d'implémentation des enroulements d'un transformateur selon l'invention ;
    • la Fig.5 représente schématiquement la variation de la densité de courant selon une disposition traditionnelle de l'entrefer et une disposition de l'entrefer selon l'invention ;
    • la Fig.6 représente schématiquement l'induction entre les conducteurs selon l'alternance des tours des enroulements primaire et secondaire ;
    • la Fig.7 représente schématiquement l'homogénéisation de la densité de courant dans les terminaux d'entrée et de sortie des enroulements primaire et secondaire disposés selon un mode de réalisation de l'invention ;
    • la Fig.8 représente schématiquement un exemple de mise en œuvre d'une couche de blindage dans un transformateur selon l'invention ;
    • la Fig.9 représente schématiquement un schéma classique électrique d'un redressement synchrone ;
    • la Fig.10 représente schématiquement l'optimisation des terminaux de sortie pour le redressement synchrone selon l'invention.
  • Par souci de clarté, les mêmes éléments porteront les mêmes repères dans les différentes figures. Pour une meilleure visibilité et dans un souci de compréhension accrue, les éléments ne sont pas toujours représentés à l'échelle.
  • La figure 1 représente schématiquement un exemple d'implémentation d'un composant magnétique planar 5 selon l'état de l'art et a déjà été décrite dans l'introduction.
  • La figure 2 représente schématiquement un transformateur 10 selon l'invention avec un exemple de disposition, autour des vias centraux, des enroulements primaire et secondaire. Sur cette figure, les éléments principaux du transformateur sont représentés par couches (normalement superposées). A noter qu'il s'agit ici d'une illustration, le nombre de couches étant uniquement indiqué à titre d'exemple non-limitatif. Un Homme du métier comprend que ce nombre de couches peut être supérieur ou inférieur à celui de la figure. Le transformateur 10 comprend un circuit primaire 11 comprenant un enroulement primaire 12 de N1 tours d'un fil électrique conducteur, l'enroulement primaire 12 s'étendant depuis un terminal primaire d'entrée 13 vers un terminal primaire de sortie 14. Le transformateur 10 comprend un circuit secondaire 21 comprenant un enroulement secondaire 22 de N2 tours d'un fil électrique conducteur, l'enroulement secondaire 22 s'étendant depuis un terminal secondaire d'entrée 23 vers un terminal secondaire de sortie 24 (N1 et N2 étant chacun un nombre entier supérieur ou égal à 1). Le transformateur 10 comprend un circuit imprimé 15 (décomposé sur la figure en plusieurs couches) s'étendant selon un premier plan 16, et comprenant une pluralité de couches 17-1, 17-2, 17-3, 17-4, 17-5, 17-6, 17-7 superposées entre elles et formant une ouverture 18 à travers le premier plan 16 autour d'un premier axe Z1 et définissant un pourtour 19. Le transformateur 10 comprend un noyau ferromagnétique 25 (non représenté sur cette figure, mais destiné à être inséré dans l'ouverture 18, et disposé autour des enroulements primaire 12 et secondaire 22, comprenant une partie centrale 26 disposée dans l'ouverture 18). Le transformateur 10 comprend une pluralité de vias 27 disposés au centre des enroulements primaire 12 et secondaire 22 sur le pourtour 19 de l'ouverture 18, et s'étendant à travers les couches 17-1, 17-2, 17-3, 17-4, 17-5, 17-6, 17-7, chacun selon un axe parallèle au premier axe Z1, la pluralité de vias 27 étant configurés pour interconnecter la pluralité de couches 17-1, 17-2, 17-3, 17-4, 17-5, 17-6, 17-7.
  • Selon l'invention, les N1 tours et les N2 tours du fil électrique conducteur sont disposés chacun sur une de la pluralité de couches, selon une alternance quelconque entre les N1 tours et les N2 tours. Autrement dit, il y a un tour (soit de l'enroulement primaire, soit de l'enroulement secondaire) par couche. Et l'alternance quelconque signifie que dans leur superposition, un tour de l'enroulement primaire peut être superposé à un tour de l'enroulement secondaire ou de l'enroulement primaire. Toutes les combinaisons de superposition entre primaire et secondaire sont envisageables. Chacun des N1 tours et des N2 tours s'enroule, depuis un premier via de la pluralité de vias 27, partiellement autour de la pluralité de vias 27 formant un arc de cercle 28 par couche, vers un deuxième via de la pluralité de vias 27. En d'autres termes, par couche, le tour de l'enroulement (primaire ou secondaire) n'est pas un tour complet, le tour ne fait les 360° autour de l'ouverture 18. Ainsi, quelques vias par couche ne sont pas entourés par ledit tour. La disposition centrale des vias apporte une grande flexibilité au positionnement des couches qui peuvent être intercalées les unes par rapport aux autres, et donc au positionnement des tours de l'enroulement primaire et de l'enroulement secondaire.
  • En outre, l'arc de cercle 28 d'une couche est distinctement orienté par rapport aux arcs de cercle 28 des autres couches et d'orientation distincte des arcs de cercle des autres couches. Un tour, au niveau du pourtour 19 de l'ouverture 18, peut être considéré comme ayant une première extrémité et une seconde extrémité à proximité du pourtour. La première et seconde extrémités sont espacées d'un certain nombre de vias. Cet espacement entre la première et seconde extrémités se retrouve sur chacune des couches, et les espacements respectifs des couches ne sont pas superposés.
  • Le transformateur selon l'invention permet une meilleure intégration et facilite la mise en œuvre d'un blindage afin de limiter d'autant plus l'impact de flux de fuite au voisinage de l'entrefer. La minimisation de l'induction au niveau des interconnexions permet la diminution des pertes. Tous ces aspects et avantages de l'invention sont détaillés ci-après.
  • La figure 3 représente schématiquement un exemple de vias 27 disposés au centre de l'enroulement 12 d'une inductance 10 selon l'invention. Sur cette illustration, il faut considérer que le schéma (b) est répété six fois et décalé à chaque fois. Il en résulte une inductance avec 7 tours d'un fil électrique conducteur (donc N1 = 3), implémentée sur 8 couches (une fois encore, seules trois couches sont représentées pour une meilleure lisibilité de la figure). L'enroulement 12 s'étend depuis le terminal primaire d'entrée 13 vers le terminal primaire de sortie 14.
  • L'utilisation de vias au centre du composant magnétique permet une réalisation simplifiée des différents enroulements. Pour celle-ci, il est possible de reproduire un enroulement élémentaire sur chacune des couches (b) afin de réaliser l'enroulement désiré. Un seul tour est réalisé par couche de PCB. Le passage entre les différentes couches se fait par l'intermédiaire des vias centraux 27. Un ou plusieurs vias peuvent être utilisés dans cette optique en fonction du courant souhaité dans les enroulements et de la taille du noyau 25 (et sa partie centrale 26).
  • Cette configuration d'un tour par couche va à l'encontre des pratiques connues. En effet, usuellement, dans l'électronique de puissance, on étale sur une seule couche le nombre de tours (comme montré sur la figure 1). Le fait de considérer un tour par couche nécessite ici un nombre de couches de PCB important si l'on souhaite réaliser un nombre de tours important. En contrepartie, le fait de mettre les vias au centre, sur le pourtour de l'ouverture, permet de diminuer les résistances d'accès couche à couche et libère de l'espace en périphérie du composant, ce qui permet une meilleure intégration.
  • La figure 4 représente schématiquement un exemple d'implémentation des enroulements primaire 12 et secondaire 22 d'un transformateur 10 selon l'invention. Plus précisément, l'enroulement de sortie est incorporé au sein de la couronne de vias centraux 27. Dans le but d'entrelacer les enroulements primaire et le secondaire, là aussi les vias permettant les interconnexions entre les couches 17 sont eux aussi entrelacés. Les tours de l'enroulement secondaire peuvent être insérés chacun entre deux tours de l'enroulement primaire et/ou entre un tour de l'enroulement primaire et un tour de l'enroulement secondaire. Cette configuration est avantageuse pour un transformateur puisqu'elle permet une meilleure intégration et facilite la mise en œuvre d'un blindage afin de limiter d'autant plus l'impact des effets de proximité (et uniquement dans le cas où le composant dispose d'un entrefer). La minimisation de l'induction au niveau des interconnexions permet la diminution des pertes.
  • La figure 5 représente schématiquement la variation de la densité de courant selon une disposition traditionnelle de l'entrefer (à gauche de la figure) et une disposition de l'entrefer selon l'invention (à droite de la figure). Cette représentation se base sur une illustration issue de la publication Schafer 2018 Optimal Design of Highly Efficient and Highly Compact PCB Winding Inductors. Selon l'invention, le noyau ferromagnétique 25 comprend un entrefer 29 s'étendant selon un deuxième axe Z2 sensiblement perpendiculaire au premier plan 16. L'utilisation d'un entrefer vertical 29 est rendu possible par l'usinage de noyaux existants ou de matière brute. Dans le commerce, les noyaux planars présentent le plus souvent un entrefer disposé sur la jambe centrale ce qui fait rayonner le champ dans une direction parallèle aux enroulements planars (voir illustration de gauche). La configuration à gauche de la figure représente un conducteur en cuivre au centre soumis à des champs de fuites émanant des deux entrefers dans le noyau magnétique. Les densités de courant sont concentrées sur les bords du conducteur ce qui diminue l'efficacité de la solution. Plus précisément, dans une disposition traditionnelle de l'entrefer (dite horizontale), le champ magnétique se propage dans le noyau. Au niveau de l'entrefer, les lignes de champ rayonnent autour de l'entrefer et ces lignes de champ tendent à concentrer les courants circulant dans le conducteur vers l'extérieur à tel point que le courant ne circule que sur l'extérieur, là où les lignes de champ le concentrent. Autrement dit, seule une petite partie du conducteur est réellement utilisée. Dans la configuration à droite de la figure, correspondant à l'invention, les champs de fuite arrivent perpendiculairement au conducteur ce qui permet la diminution de la densité de courant et donc des pertes. Plus précisément, dans une disposition verticale, le champ rayonne de façon perpendiculaire (voir illustration de droite), ce qui diminue les effets de proximité au noyau et donc diminue la concentration de courant, aux extrémités, dans le circuit électrique. Les courants sont concentrés en surface et la totalité du conducteur est utilisée. Il en résulte un impact positif sur le rayonnement. Ainsi, la résistance de l'enroulement est diminuée.
  • La figure 6 représente schématiquement l'induction entre les conducteurs selon l'alternance des tours des enroulements primaire et secondaire. Sur la partie inférieure de la figure, les conducteurs dans un transformateur planar sont représentés. Les couches annotées P1 représentent les conducteurs primaires tandis que les couches annotées S1 représentent les conducteurs secondaires. Sur la partie gauche de la figure, les tours de l'enroulement primaire et les tours de l'enroulement secondaire sont disposés en alternance, le choix du mode d'alternance est facilité selon l'invention. Sur la partie droite de la figure, les tours de l'enroulement primaire et les tours de l'enroulement secondaire se succèdent, sans aucune alternance entre les enroulements primaires et secondaires. Sur le même schéma, le profil de l'induction théorique est donné (H). L'induction entre les conducteurs augmente la concentration des courants dans ceux-ci, ce qui augmente les pertes. On voit que sans alternance, l'induction maximale obtenue est supérieure à l'induction maximale obtenue dans le cas d'un transformateur selon l'invention (avec alternance des tours). Cela génère beaucoup de pertes par conduction entre les deux couches centrales (P1 et S1) qui ont une résistance beaucoup plus grande.
  • La figure 7 représente schématiquement l'homogénéisation de la densité de courant dans les terminaux d'entrée et de sortie des enroulements primaire et secondaire disposés selon un mode de réalisation de l'invention. Cette représentation se base sur une illustration issue de la publication Schafer 2018 Optimal Design of Highly Efficient and Highly Compact PCB Winding Inductors. Dans ce mode de réalisation de l'invention, les terminaux d'entrée 13, 23 sont superposés aux terminaux de sortie 14, 24 selon un troisième axe Z3 sensiblement perpendiculaire au premier plan 16, comme on peut le voir sur la partie supérieure à droite de la figure. Cela permet d'éviter les phénomènes de concentration de champ entre les deux plans. Avec les terminaux positionnés dans deux plans différents parallèles, le courant est davantage réparti dans tout le plan et pas seulement concentré au milieu d'un seul plan. La partie inférieure de la figure représente les résultats d'une simulation par éléments finis de la densité de courant avec des terminaux adjacents (sur la gauche de la figure) et des terminaux superposés selon l'invention (sur la droite de la figure).
  • Il en ressort que l'entrelacement des conducteurs permet de réduire l'induction entre les conducteurs et donc les concentrations de courant. Une disposition des terminaux verticalement permet d'homogénéiser les densités de courant et donc de réduire les pertes dans les terminaux.
  • La figure 8 représente schématiquement une vue en coupe, dans un plan perpendiculaire au premier plan 16, d'un exemple de mise en œuvre d'une couche de blindage dans un transformateur selon l'invention. Dans un mode de réalisation d'un transformateur de l'invention, au moins une parmi la pluralité de couches 27 est un plan de blindage 31, préférentiellement un plan de masse. Le plan de blindage concentre les courants de Foucault qui génèrent des pertes. Ainsi, grâce au plan de blindage, ces pertes sont générées dans le plan de blindage et non plus dans les enroulements. Le but est de limiter les pertes totales. La résistance équivalente du circuit dépend des différentes résistances dans le circuit. Avec plan de blindage, cette résistance est diminuée.
  • Le plan de blindage 31 est le plus souvent un plan de masse. Le champ de fuite crée dans ce plan un courant induit (courant de Foucault) qui vient y générer des pertes. La distance du blindage à l'entrefer, l'épaisseur du blindage ainsi que la distance du blindage au conducteur dépendent de la puissance mise en jeu, de la fréquence de fonctionnement (et forme des signaux), et de la performance recherchée par rapport à l'intégration du composant.
  • Dans le cas général, l'implémentation de la solution est profitable si elle permet de réduire les pertes totales. Dans un cas d'utilisation particulier qu'est le convertisseur résonnant, la diminution de la résistance équivalente des conducteurs est un facteur à prendre en compte. Limiter cette résistance permet de faciliter la résonnance primaire et donc la commutation douce. Dans ce cas particulier, il sera donc aussi nécessaire de prendre en compte le gain apporté par ce fonctionnement sur le dimensionnement du magnétique.
  • L'invention permet d'améliorer les performances générales d'un composant magnétique planar par un ensemble de caractéristiques aux avantages nombreux :
    • La disposition des vias au centre afin de réaliser l'interconnexion des différentes couches, en particulier dans le cas du transformateur avec les vias des enroulements primaire et secondaire et une flexibilité dans le choix d'entrelacement (c'est-à-dire intercalés les uns entre les autres) ;
    • La présence d'un plan de blindage associé à un entrefer vertical qui permet de limiter l'effet des flux de fuite sur les conducteurs. Dans une configuration résonnante cet avantage est d'autant plus valorisable ;
    • L'optimisation des terminaux de sortie pour améliorer le redressement synchrone. Cet avantage est valorisé surtout dans les convertisseurs à fort courant de sortie et haute fréquence de fonctionnement nécessitant l'utilisation d'un ou plusieurs transistors GaN.
  • La figure 9 représente schématiquement un schéma classique électrique d'un redressement synchrone. Sur cette figure, à gauche est représenté le transformateur (coupleur idéal), Rs représente la résistance série parasite de l'enroulement secondaire et du routage, QR le transistor de redressement synchrone, DQR et CQR les composants parasites associés à ce transistor. Cout et Rout représentent la capacité de sortie du convertisseur et la charge respectivement.
  • Sur l'exemple que l'on va traiter, seulement deux plans permettent de réaliser l'enroulement secondaire. Il est possible d'imaginer une configuration différente afin d'optimiser les performances (plus de cuivre au secondaire signifie moins de pertes).
  • La figure 10 représente schématiquement l'optimisation des terminaux de sortie pour le redressement synchrone selon l'invention. Comme décrit précédemment, l'enroulement peut être réalisé en utilisant un groupe de vias sur deux. Par l'optimisation des terminaux du transformateur, il est possible d'améliorer l'intégration du secondaire afin de minimiser les pertes au niveau du redressement synchrone. Généralement, on procède à un abaissement de tension entre le primaire et le secondaire. Il en résulte une tension au secondaire plus faible qu'au primaire. Cela signifie aussi de plus forts courants au secondaire. Il est souhaitable de minimiser la résistance sur les terminaux secondaires pour optimiser les performances. Sur la figure, le chemin du courant est minimisé vers la sortie.
  • Cette amélioration conduit à une diminution de la résistance Rs et des inductances parasites au secondaire. En outre, elle permet une augmentation plus facile du nombre de transistors au redressement synchrone, ce qui permet de diminuer d'autant plus les pertes.
  • Enfin, il est ainsi possible de placer les drivers au plus proche des transistors, point critique pour les transistors GaN par exemple.
  • On peut souligner que l'optimisation des différents paramètres des composants magnétiques discutés ci-dessus est adaptable à la plupart des configurations de convertisseurs.
  • Ainsi, l'invention comporte plusieurs caractéristiques techniques, combinables entre elles, dont les effets techniques sont listés ci-dessous :
    • Utilisation de vias disposés au centre du planar (proche de la partie centrale). Cette configuration permet une répartition plus facile des différents enroulements sans pénaliser l'intégration extérieure au composant. Cette disposition permet en outre un entrelacement des couches simplifié.
    • Utilisation d'un entrefer usiné sur le dessus du noyau magnétique. Contrairement à une disposition horizontale de l'entrefer, une disposition verticale et orthogonale aux enroulements permet de limiter les effets de proximité aux enroulements et donc diminue les pertes cuivres surtout à haute fréquence (>500 kHz).
    • Entrelacement/superposition des terminaux sur un plan vertical. L'entrelacement permet de diminuer l'induction et donc les fortes concentrations de courant. La disposition verticale permet d'utiliser la section totale des conducteurs planars et donc de diminuer la résistance AC.
    • Utilisation de plans de blindage. Situés au plus proche de l'entrefer, ils permettent de limiter les effets de proximité sur les conducteurs. La disposition de l'entrefer verticale associée aux blindages minimise les effets de l'entrefer sur les conducteurs.
    • Optimisation des terminaux pour l'intégration des transistors GaN. Le redressement synchrone fonctionnant à forte fréquence, fort courant, il est nécessaire de limiter les inductances et résistances parasites au secondaire. Une disposition entrelacée et optimisée du secondaire permet d'augmenter les performances de ce type de système.
  • Il apparaîtra plus généralement à l'Homme du métier que diverses modifications peuvent être apportées aux modes de réalisation décrits ci-dessus, à la lumière de l'enseignement qui vient de lui être divulgué. Dans les revendications qui suivent, les termes utilisés ne doivent pas être interprétés comme limitant les revendications aux modes de réalisation exposés dans la présente description, mais doivent être interprétés pour y inclure tous les équivalents que les revendications visent à couvrir du fait de leur formulation et dont la prévision est à la portée de l'Homme du métier se basant sur ses connaissances générales.

Claims (4)

  1. Transformateur (10) comprenant :
    - un circuit primaire (11) comprenant un enroulement primaire (12) de N1 tours d'un conducteur électrique, l'enroulement primaire (12) s'étendant depuis un terminal primaire d'entrée (13) vers un terminal primaire de sortie (14) ; et
    - un circuit secondaire (21) comprenant un enroulement secondaire (22) de N2 tours d'un conducteur électrique , l'enroulement secondaire (22) s'étendant depuis un terminal secondaire d'entrée (23) vers un terminal secondaire de sortie (24), N1 et N2 étant chacun un nombre entier supérieur ou égal à 1 ;
    le transformateur (10) étant caractérisé en ce qu'il comprend :
    - un circuit imprimé (15) s'étendant selon un premier plan (16), et comprenant une pluralité de couches (17-1, 17-2, 17-3, 17-4, 17-5, 17-6, 17-7) superposées entre elles et formant une ouverture (18) à travers le premier plan (16) autour d'un premier axe (Z1) et définissant un pourtour (19) ;
    - un noyau ferromagnétique (25), disposé autour des enroulements primaire (12) et secondaire (22), comprenant une partie centrale (26) disposée dans l'ouverture (18) ;
    - une pluralité de vias (27) disposés au centre des enroulements primaire (12) et secondaire (22) sur le pourtour (19) de l'ouverture (18), et s'étendant à travers les couches (17-1, 17-2, 17-3, 17-4, 17-5, 17-6, 17-7), chacun selon un axe parallèle au premier axe (Z1), la pluralité de vias (27) étant configurés pour interconnecter la pluralité de couches ;
    en ce que les N1 tours et les N2 tours du conducteur électrique sont disposés chacun sur une de la pluralité de couches, selon une alternance quelconque entre les N1 tours et les N2 tours, chacun des N1 tours et des N2 tours s'enroulant, depuis un premier via de la pluralité de vias (27), partiellement autour de la pluralité de vias (27) formant un arc de cercle (28) par couche, vers un deuxième via de la pluralité de vias (27) ;
    et en ce que l'arc de cercle (28) d'une couche est distinctement orienté par rapport aux arcs de cercle (28) des autres couches et d'orientation distincte des arcs de cercle des autres couches.
  2. Transformateur selon la revendication 1, dans lequel le noyau ferromagnétique (25) comprend un entrefer (29) s'étendant selon un deuxième axe (Z2) sensiblement perpendiculaire au premier plan (16).
  3. Transformateur selon la revendication 1 ou 2, dans lequel les terminaux d'entrée (13, 23) sont superposés aux terminaux de sortie (14, 24) selon un troisième axe (Z3) sensiblement perpendiculaire au premier plan (16).
  4. Transformateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel au moins une parmi la pluralité de couches (27) est un plan de blindage (31), préférentiellement un plan de masse.
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