WO2002009128A1 - Transformateur a haute frequence a redresseur integre - Google Patents

Transformateur a haute frequence a redresseur integre Download PDF

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WO2002009128A1
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Michel Roche
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F27/00—Details of transformers or inductances, in general
    • H01F27/40—Structural association with built-in electric component, e.g. fuse
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T29/00—Metal working
    • Y10T29/49—Method of mechanical manufacture
    • Y10T29/49002—Electrical device making
    • Y10T29/4902—Electromagnet, transformer or inductor

Definitions

  • the present invention relates to transformers for a static converter and more particularly to the transformer-rectifier assembly.
  • transformers are generally used whose primaries and secondaries are coaxial, that is to say superimposed in the radial direction.
  • the coils are made with enameled wire or with copper strip (planar coil).
  • Axial stacking systems have also been described, in particular in French patent FR1 028950A by C. GOSSELIN which explains the use of suitably slit copper blades to form a turn capable of being placed around a core, this in the case of transformers at 50 or 60 Hz, single-phase or three-phase.
  • the US patent US4965712A from DUSPIVA ALTER. S and AL also describes the use of coils of cut copper sheet, this time with a core making several turns around the copper strip. This transformer was used in a high frequency circuit.
  • the two systems which have just been described integrate rectification diodes between the secondary blades. They have in common the disadvantage of having a high leakage inductance, such as to limit the frequency of use and consequently to make the bulky system heavy and expensive.
  • the invention avoids these drawbacks since it makes it possible to produce very simple and inexpensive transformers thanks to a high operating frequency.
  • the invention relates to a high frequency transformer with integrated rectifiers having primary and / or secondary coils constituted by conductive blades (3) surrounding a single leg of the magnetic core, operating at a frequency between 3 and 50 kHz and comprising:
  • the rectification is carried out either according to a two-phase type circuit with 2 diodes with a secondary at midpoint (a), or with a conventional bridge (b), or with a circuit with 2 filtering reactors (c ).
  • the rectifying diodes (4) are strongly pressed by suitable means (24) between the conductive blades (3) constituting the secondary and collector blades (14), in order to ensure good thermal and electrical contact.
  • the collecting blades (14) and the conducting blades (3) are cooled either by circulation of air, or by a circulation of water in the thickness of the blade thanks to channels (25).
  • the conductive strips (3) are used as a primer, either directly or with series connection by means of conductive posts (15), staggered along the axes ⁇ 4 and ⁇ 5
  • the conductive blades (3) have a U-shape (20) and are used as a primary and attacked by a bridge cutting generator constituted by 4 switches (21) arranged between continuous supply blades ( 22) and (23), the pattern constituting the bridge being advantageously reproduced a large number of times, the blades (20) being interposed between coils (2) or plates (3) used as secondary
  • the conducting strips (3) being secondary, the rectifier (a) is produced, n times, by connecting all the midpoints by conducting columns (5), along A ⁇ while the diodes are stacked according to ⁇ 2.
  • the diodes can be in position
  • the flat coils (2) are produced either by winding in enameled wire along 2 superimposed spirals connected in their center, one centripedal, the other centrifugal, or by 2 copper plates cut in a spiral and connected to each other by a weld in the center of the coil.
  • the invention is used for the construction of static converters, whether they are voltage raisers or lowerers.
  • the invention is used to power welding machines, by point or of TIG, MIG, ARC type ... or even plasma machines for shooping, plasma cutting etc ...
  • the conductive plate (3) consists of a flat heat pipe.
  • FIG. 1 shows the block diagram of the electronic circuit of a transformer with its rectification circuit which can be of type a, b or c.
  • FIG. 2 shows, in exploded view, a step-down transformer and the associated rectifier.
  • FIG. 3 shows a section of the converter shown diagrammatically in Figure 2, showing in particular the connection of the middle point of the secondary, in the case of a rectifier of type a.
  • FIG. 4 represents one of the plates (3) forming the secondary of the converter of FIG. 3.
  • FIG. 5 shows an exploded view of an impedance boost converter.
  • FIG. 7 shows a bridge cutting generator integrated into the transformer structure, which allows to attack the primaries (20).
  • FIG. 8 shows a primary coil (20) intended to be driven by the generator of Figure 7, on which are represented the transistors (21) constituting the branches of the bridge.
  • - Figure 9 shows the means (24) for clamping the stack of diodes; - Figure 10 shows the cooling channels of the conductive plates (3) and the collector plates (14).
  • FIG. 11 shows a system using the rectification circuit of type (c).
  • FIG. 12 shows a section of the previous system in which the inductors are made by means of a turn passing through the cores (25).
  • the invention can be broken down into 2 categories: converters lowering impedance and raising impedance.
  • Case 1 the output voltage is smaller than that continuously feeds the cutting bridge, while in the second case it is higher.
  • a converter is constituted by the implementation of several elementary cells such as that shown diagrammatically in FIG. 1.
  • the output connection of the cells can be carried out in series in the case of a rise in impedance (FIG. 6a) or in parallel for the impedance reducers (FIG. 6b) or again according to an infinity of combinations in series-parallel, so as to best adapt the impedances.
  • This stack is also very advantageous from a thermal point of view because it allows the dissipation of the calories dissipated in the transformer coils, by means of the conductive plates (3) which are themselves cooled, either by forced air or by a circulation of water inside the plates itself, or again by the use of a process based on heat pipes.
  • These conductive plates (3) can advantageously be made of copper or aluminum and constitute both the primary and the secondary or both simultaneously.
  • This stack is still interesting from an economic and industrial point of view because it allows the construction of a large variety of converters, in a wide range of power from standard elements which can be connected according to a large number of series combinations. - parallel, both in primary and secondary.
  • the arrangement of silicon diodes (4) advantageously in the form of thin pellets (fusions on molybdenum for example), directly in contact with the conductive (3) or collector (14) plates, makes it possible to eliminate the connection wires and consequently reduce the bonding inductance between the transformer and the rectifiers. This reduction is further increased in certain cases, by the placing in parallel of a large number of elementary circuits.
  • the invention makes it possible to reduce the parasitic inductance in series with the switching bridge, which is the sum of the leakage inductance of the transformer and the connection inductance. This allows operation at a higher frequency than that obtained with conventional transformers. This results in a reduction in size, mass and ultimately the cost of the converters.
  • converters operating at 5 kHz could be produced, capable of delivering a permanent power of 250 kW, contained in a shoe box!
  • the elementary cell of the converter shown in FIG. 1 makes it possible to understand its operation. They essentially consist of a ferromagnetic core (1), made of ferrite or silicon iron laminated in thin layers (0.05 to 0.1 mm) or also of amorphous material. Around the core (1) are arranged:
  • a primary winding (P) which may, depending on the case, be constituted by a metal plate (3), advantageously made of copper or aluminum, cooled by air or by water or else a coil of enameled wire with double spiral (2).
  • S secondary winding
  • the secondary circuit can be constituted simply by a turn produced by a plate (3) with straightening along the circuit (c).
  • the elementary cell given in FIG. 1 is provided with a rectification circuit using two diodes (D). It may include a filtering circuit (C), but this can also be placed at the output of the converter, that is to say after all the elementary cells have been connected in parallel as shown diagrammatically in FIG.
  • the static converter is used to obtain high currents under a low voltage.
  • a power supply for spot welding capable of delivering 10,000 A at a voltage of 10 V.
  • 5 cells constituted as shown exploded in FIG. 2 that is to say each comprising two copper secondary plates (3) surrounding a primary coil (2).
  • the section given in FIG. 3 allows a better understanding of the construction of this circuit.
  • the 2 plates (3) are shown in Figure 4.
  • the diodes can be placed either in position (12), in this case the midpoint is in (13), or in position (13) (midpoint in 13) according to the diagram in Figure 2.
  • a flat coil produced either by winding in two superimposed spirals of enameled wire connected together by the center, or by stacking plates of a coil connected together by conductive balusters staggered according to the diagram in Figure 5.
  • This type of coil has the advantage of having a thin thickness allowing good evacuation of calories and having its outputs on the outside without causing excess thickness.
  • the connection of the midpoints of the primaries which constitutes one of the straightening outlets is carried out by tightening along the axis ⁇ i of copper spacer (5) by means of a steel rod passing through the hole (12) provided in the plate (3).
  • the rectifier diodes are produced by directly placing the silicon chips (4), often called fusion between the plates (3) and (14) along the axis ⁇ 2 . thus the diodes connect the ends (13) of the coils cut between the plates (3), thanks to the slot (11) to the collection blades (14) which constitute the other outlet of the collector. So that the diode-copper plate contacts are not very resistive, the stack must be tightened tightly along the ⁇ 2 axis, using screws or filtered steel rods.
  • the primaries, all connected in series according to Figure 6b, will be supplied by a symmetrical bridge cutting the rectified sector.
  • a frequency which can range from 3 to 10 kHz. If for example, this is 5 kHz and if a core with a useful cross-section of 5 cm 2 is used , working on a peak induction of IT, the primary must have 55 turns. This will be achieved, for example by 5 coils (2), of 11 turns each. Thus, the transformation ratio will be 55.
  • the diodes and the transformer are cooled from the plates (3) and the collectors (14), which are cooled by water or by air.
  • the static converter, object of the invention is used as a high voltage source, which may also be called " impedance boost converter ".
  • the plates (3) are used to constitute the primaries as shown diagrammatically in FIG. 5. To better understand the invention, let us place our in the concrete case of a high-voltage power supply delivering a voltage of 5600 volts.
  • the nucleus has a section of 50 cm 2 and that it supports a peak induction of 0.28T at the frequency of 5kHz.
  • the number of primary turns that is to say of plates (3) connected in series by the set of connection columns Ai and ⁇ 2 will be 20.
  • the connections of the plates will be made by a series of spacers (15) alternately insulating or conductive.
  • the plates (3) comprising a lumen (10) to let the core pass as well as a slot (11) necessary to form a turn, are stacked alternately face F at the top then at the bottom, then at the top etc. ..so that the turns turn in the same direction thus forming a spiral winding.
  • FIG. 5 shows a cell using two coils (2) connected in a suitable direction so that the two output wires (16) and (17) deliver square slots in phase opposition. Under these conditions, the diodes (18) and (19) make it possible to carry out a so-called "two-phase" rectification.
  • FIG. 6 b The connection of all the elementary cells is carried out as shown diagrammatically in FIG. 6 b. With 10 primary plates (3), 5 cells can be made. Each coil must have 20 turns. As before, the cooling of the transformer can advantageously be carried out by means of the plates (3); these can be cooled by air or water. in Figure 6b, there is shown a filter cell L C placed on the output of the converter.
  • the transformer integrates between its conductive plates (20) of slightly different shape, this time used as a primary, a series of generators constituted by bridges with the aim this time of reducing the inductance of
  • FIG. 7 represents this generator, which as before, is composed of several cells allowing the realization of the primary-secondary alternation which we have seen that it constitutes the foundation of the invention.
  • transistors (21) in fairly flat housings, say for example S 247.
  • these transistors can be MOS or IGBT. They are connected according to the conventional diagram of the bridge, between continuous supply plates (22) of polarity + and (23) of polarity -.
  • capacitors (C) as close as possible to the transistors (21), between the plates (22) and (23).
  • the secondary is carried out as above with integrated rectifiers, provided that it is split. Fractionation can be obtained, even in the case of a single coil, in this case it suffices to connect in series flat coils (2) or plates to a turn (3) connected in series by means of conductive posts (15 ).
  • an adjustment is carried out according to the diagram (c).
  • the diodes (4) are stacked between the secondaries (3) and the collector plates (14) along the axes ⁇ 6 and ⁇ (see FIG. 11).
  • the plates (3) can be extended in order to produce the inductances L by placing two cores (25) between the rectifier and the output as shown diagrammatically in FIG. 12.
  • the cooling can be carried out simply by giving the plates (3) and (14), a sufficient surface on which a forced circulation of air is caused.
  • a heat transfer liquid water, glycol, coolanol, freon, oil etc.
  • the plates are made up of two copper sheets. Channels are etched into one of them (see Figure 10) and the two sheets are brazed on top of each other, so that the liquid can be circulated through the thickness of the sheet. This is introduced for example through the orifice (26) and extracted by (27), this by means of a suitable set of waterproof and hollow spacers, not shown in the figures. It is thus possible to channel the liquid up to the level of the diode.
  • the invention can be used in all cases where a static converter is required. Let us cite as an indication some typical applications of the invention: - generator with very low impedance intended to equip spot welding machines.

Landscapes

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  • Power Engineering (AREA)
  • Rectifiers (AREA)
  • Dc-Dc Converters (AREA)
  • Coils Or Transformers For Communication (AREA)
  • Amplifiers (AREA)

Abstract

L'invention concerne un transformateur à haute fréquence dans lequel est intégrée la cellulle de redresseur. Il comporte essentiellement des bobines plates (2) et/ou des lames de cuivre fendues (3), empilées sur une branche de noyau (1), de façon à ce que l'on ait alternativement un primaire, un secondaire, un primaire, un secondaire etc. Ceci a pour but de réduire au maximum l'inductance de fuite et par suite d'augmenter la fréquence de fonctionnement du transformateur. Les diodes de redressement (4) sont disposées suivant diverses configuration entre les lames de cuivre (3) et des lames collectrices (14) qui constituent l'une des sorties du redresseur, l'autre étant obtenue en reliant tous les points milieu des spires (3) au moyen des entretoises conductrices (5) préssées suivant l'axe DELTA 1. L'invention peut être avantageusement utilisée dans tous les convertisseurs statiques et notamment dans les machines à souder par point ou une impédance est requise.

Description

TRANSFORMATEUR A HAUTE FREQUENCE A REDRESSEUR INTEGRE
DESCRIPTIF TECHNIQUE
La présente invention concerne les transformateurs pour convertisseur statique et plus particulièrement l'ensemble transformateur-redresseur.
Dans les systèmes connus de ce genre on utilise généralement des transformateurs dont les primaires et les secondaires sont coaxiaux, c'est à dire superposés dans le sens radial. Les bobines étant faites avec du fil émaillé ou encore avec du feuillard de cuivre (bobine planar). Des systèmes à empilement axial ont également été décrit, notamment dans le brevet français FR1 028950A de C. GOSSELIN qui explique l'emploi de lames de cuivre convenablement fendues pour former une spire susceptible d'être placée autour d'un noyau, ceci dans le cas de transformateurs à 50 ou 60 Hz, monophasés ou triphasés. Le brevet américain US4965712A de DUSPIVA ALTER. S et AL décrit également l'usage en spires en tôle de cuivre découpée avec cette fois un noyau effectuant plusieurs tours autour de la lame de cuivre. Ce transformateur était utilisé dans un circuit à haute fréquence. Les deux systèmes qui viennent d'être décrits intègrent des diodes de redressement entre les lames de secondaire. Ils ont en commun l'inconvénient de présenter une inductance de fuite élevée, de nature à limiter la fréquence d'utilisation et par suite à rendre le système volumineux lourd et coûteux.
L'invention évite ces inconvénients puisqu'elle permet de réaliser des transformateurs très simples et peu coûteux grâce à une fréquence de fonctionnement élevée. L'invention concerne un transformateur à haute fréquence, à redresseurs intégrés ayant des bobines primaires et/ou secondaires constituées par des lames conductrices (3) entourant une seule jambe du noyau magnétique, fonctionnant à une fréquence comprise entre 3 et 50 kHz et comportant :
- des diodes de redressement en silicium (4), avantageusement sous forme de pastilles nues, directement comprimées entre les lames conductrices (3) lesquelles peuvent être réalisées en cuivre ou en aluminium.
- un empilement alterné, sur la jambe de noyau (1), des bobines plates (2) et des plaques conductrices (3), avantageusement disposées suivant un nombre élevé d'alternances (2)-(3). Suivant une autre caractéristique, le redressement s'effectue soit suivant un circuit de type diphasé à 2 diodes avec un secondaire à point milieu (a), soit avec un pont classique (b), soit avec un circuit à 2 inductances de filtrage (c).
Suivant une autre caractéristique les diodes de redressement (4) sont fortement pressées par des moyens convenables (24) entre les lames conductrices (3) constituant les secondaires et des lames collectrices (14), afin d'assurer un bon contact thermique et électrique. Suivant une autre caractéristique les lames collectrices (14) et les lames conductrices (3) sont refroidies soit par circulation d'air, soit par une circulation d'eau dans l'épaisseur de la lame grâce à des canaux (25).
Suivant une autre caractéristique les lames conductrices (3) sont utilisées en tant que primaire, soit directement, soit avec mise en série au moyen de colonnettes conductrices (15), disposées en quinconce suivant les axes Δ4 et Δ5
Suivant une autre caractéristique les lames conductrices (3) ont une forme en U (20) et sont utilisées en tant que primaire et attaquées par un générateur de découpage en pont constitué par 4 switches (21) disposés entre des lames d'alimentation continue (22) et (23), le motif constituant le pont étant avantageusement reproduit un grand nombre de fois, les lames (20) étant intercalées entre des bobines (2) ou des plaques (3) utilisées comme secondaire Suivant une autre caractéristique les lames conductrices (3) étant des secondaires, on réalise le redresseur (a), n fois, en reliant tous les points milieu par des colonnettes conductrices (5), suivant A\ alors que les diodes sont empilées suivant Δ2.Les diodes pouvant être en position
(12) ou (13) et les points milieu respectivement (13) ou (12). Suivant une autre caractéristique les bobines plates (2) sont réalisées soit par du bobinage en fil émaillé suivant 2 spirales superposées reliées en leur centre, l'une centripède, l'autre centrifuge soit par 2 plaques de cuivre découpées en spirale et reliées entre elles par une soudure au centre de la bobine.
Suivant une autre caractéristique l'invention est utilisée pour la construction des convertisseurs statiques, qu'ils soient élévateurs de tension ou abaisseurs.
Suivant une autre caractéristique l'invention est utilisée pour alimenter des machines à souder, par point ou de type TIG, MIG, ARC ...ou encore des machines à plasma pour le shoopage, la découpe plasma etc...
Suivant une autre caractéristique la plaque conductrice (3) est constituée par un caloduc plat. Les caractéristiques et les avantages de l'invention apparaîtront mieux dans la description qui va suivre, référencée au dessin annexé dans lesquels :
- la figure 1 représente le schéma de principe du circuit électronique d'un transformateur avec son circuit de redressement qui peut être de type a, b ou c.
- la figure 2 représente, en vue éclatée, un transformateur abaisseur d'impédance et le redresseur associé.
- la figure 3 représente une coupe du convertisseur schématisé sur la figure 2, montrant notamment la connexion de point milieu du secondaire, dans le cas d'un redresseur de type a.
- la figure 4 représente une des plaques (3) formant le secondaire du convertisseur de la figure 3.
- la figure 5 représente une vue éclatée d'un convertisseur élévateur d'impédance.
- la figure 6 représente deux modes de connexion des cellules de redressement, en parallèle (6a), en série (6b).
- la figure 7 représente un générateur de découpage en pont intégré à la structure du transformateur, qui permet d'attaquer les primaires (20).
- la figure 8 représente une spire de primaire (20) destinée à être attaquée par le générateur de la figure 7, sur laquelle sont représentés les transistors (21) constituant les branches du pont.
- la figure 9 représente les moyens (24) permettant le serrage de l'empilement de diodes ; - la figure 10 représente les canaux de refroidissement des plaques conductrices (3) et des plaques collectrices (14).
- la figure 11 représente un système utilisant le circuit de redressement de type (c).
- la figure 12 représente une coupe du système précédent dans lequel les inductances sont réalisées au moyen d'une spire traversant les noyaux (25).
L'invention peut se décliner suivant 2 catégories : les convertisseurs abaisseurs d'impédance et élévateurs d'impédance. Dans le 1er cas, la tension de sortie est inférieure à celle qui alimente en continu le pont de découpage, tandis que dans le second cas, elle est supérieure. D'une façon générale, un convertisseur est constitué par la mise en oeuvre de plusieurs cellules élémentaires telles que celle schématisée sur la figure 1. La connexion de sortie des cellules peut s'effectuer en série dans le cas d'une élévation d'impédance (figure 6a) ou en parallèle pour les abaisseurs d'impédance (fig. 6b) ou encore suivant une infinité de combinaisons en série-parallèle, de façon à adapter au mieux les impédances. L'empilement de ces circuits élémentaires, associé au fractionnement du bobinage primaire permet d'empiler autour du noyau (1) les galettes de circuit primaire et secondaire en les alternant (un primaire, un secondaire, un primaire etc .). Cette disposition a une importance capitale pour un transformateur car elle permet de réduire l'inductance de fuite. Celle-ci limite en effet les performances des convertisseurs.
Cet empilement est par ailleurs très intéressant d'un point de vue thermique car il permet l'évacuation des calories dissipées dans les bobines du transformateur, au moyen des plaques conductrices (3) qui sont elles mêmes refroidies, soit par air puisé soit par une circulation d'eau à l'intérieur même des plaques, soit encore par l'utilisation d'un procédé à base de caloducs. Ces plaques conductrices (3), tant d'un point de vue électrique que thermique, peuvent avantageusement être réalisées en cuivre ou en aluminium et constituer aussi bien le primaire que le secondaire ou les deux simultanément. Cet empilement est encore intéressant d'un point de vue économique et industriel car il autorise la construction d'une grande variété de convertisseurs, dans une large gamme de puissance à partir d'éléments standards qui peuvent être connectés suivant un grand nombre de combinaisons série-parallèle, aussi bien au primaire qu'au secondaire. La disposition de diodes de silicium (4), avantageusement sous forme de pastilles minces (fusions sur molybdène par exemple), directement au contact des plaques conductrices (3) ou collectrices (14), permet d'éliminer les fils de connexion et par suite de réduire l'inductance de liaison entre le transformateur et les redresseurs. Cette réduction est encore augmentée dans certains cas, par la mise en parallèle d'un grand nombre de circuits élémentaires. Ainsi l'invention permet de réduire l'inductance parasite en série avec le pont de découpage, laquelle est la somme de l'inductance de fuite du transformateur et de l'inductance de connexion. Ceci autorise un fonctionnement à fréquence plus élevée que ce qui est obtenu avec des transformateurs conventionnels. Il en résulte une réduction de l'encombrement, de la masse et finalement du coût des convertisseurs. A titre d'exemple, il a pu être réalisé des convertisseurs fonctionnant à 5 kHz, capables de délivrer une puissance permanente de 250 kW, tenant dans une boîte de chaussures !
La cellule élémentaire du convertisseur représenté en figure 1 permet d'en comprendre le fonctionnement. Elles est constituée essentiellement d'un noyau ferromagnétique (1), en ferrite ou en fer silicium laminé en faible épaisseur (0.05 à 0.1 mm) ou encore en matériau amorphe. Autour du noyau (1) sont disposés :
- un bobinage primaire (P) qui peut suivant les cas être constitué par une plaque métallique (3), avantageusement en cuivre ou en aluminium, refroidie par air ou par eau ou encore une bobine en fil émaillé à double spirale (2).
- un bobinage secondaire (S), comportant un point milieu qui peut être réalisé par l'assemblage de deux plaques (3) connectées entre elles par une colonne conductrice
(12) lorsque le primaire est une bobine à double spirale (2) ou deux bobines spirales lorsque le primaire est constitué par une plaque (3). A noter que dans ce dernier cas on peut également n'utiliser qu'une bobine à double spirale (2) à condition d'utiliser un redressement suivant les circuits (b) ou (c) schématisés sur la figure 1. dans certains cas, le circuit secondaire peut être constitué simplement par une spire réalisée par une plaque (3) avec redressement suivant le circuit (c). La cellule élémentaire donnée en figure 1 est dotée d'un circuit de redressement utilisant deux diodes (D). Elle peut comporter un circuit de filtrage (C), mais celui-ci peut également être placé en sortie du convertisseur, c'est à dire après que l'on ait connecté toutes les cellules élémentaires en parallèle comme schématisé sur le figure 6a ou en série comme schématisé sur la figure 6b. Suivant un premier mode préféré de réalisation de l'invention, donnée à titre indicatif et, bien entendu nullement limitatif, le convertisseur statique est utilisé pour obtenir des courants intenses sous une tension faible. Prenons à titre d'exemple, le cas d'une alimentation pour soudure par point capable de délivrer 10000 A sous une tension de 10 V. Pour atteindre cette intensité on connectera en parallèle suivant le schéma de la figure 6b, 5 cellules constituées comme représenté en éclaté sur la figure 2, c'est à dire comportant chacune deux plaques de secondaire en cuivre (3) entourant une bobine primaire (2). La coupe donnée en figure 3 permet de mieux comprendre la réalisation de ce circuit. Les 2 plaques (3) sont représentées sur la figure 4. elles comportent une lumière (10) dans laquelle passe le noyau (1) ainsi qu'une fente (11) permettant de former une spire. Les diodes peuvent être placées soit en position (12), dans ce cas le point milieu est en (13), soit en position (13) (point milieu en 13) suivant le schéma de la figure 2. Entre ces 2 plaques est placée une bobine plate réalisée soit par bobinage en deux spirales superposées de fil émaillé reliées entre elles par le centre, soit par l'empilement de plaques de une spire connectées entre elles par des colonnettes conductrices en quinconce suivant le schéma de la figure 5. ce type de bobine présente l'avantage d'avoir une faible épaisseur autorisant une bonne évacuation des calories et d'avoir ses sorties sur l'extérieur sans entraîner de surépaisseur. La connexion des points milieu des primaires qui constitue l'une des sorties de redressement est réalisée par serrage suivant l'axe Δi d'entretoise en cuivre (5) au moyen d'une tige d'acier passant par le trou (12) ménagée dans la plaque (3). Les diodes de redressement sont réalisées en plaçant directement les puces en silicium (4), souvent appelées fusion entre les plaques (3) et (14) suivant l'axe Δ2. ainsi les diodes relient les extrémités (13) des spires découpées entre les plaques (3), grâce à la fente (11) aux lames de collection (14) qui constituent l'autre sortie du collecteur. Pour que les contacts diodes-plaques de cuivre soient peu résistifs, il faut serrer fortement l'empilement suivant l'axe Δ2, au moyen de vis ou de tiges filtrées en acier.
Les primaires, tous connectés en série suivant la figure 6b, seront alimentés par un pont symétrique découpant le secteur redressé. On fonctionnera par exemple à une fréquence pouvant aller de 3 à 10 kHz. Si par exemple, celle-ci est de 5 kHz et si on utilise un noyau de section utile de 5cm2, travaillant à une induction crête de IT, il faudra que le primaire comporte 55 spires. Ceci sera réalisé, par exemple par 5 bobines (2), de 11 spires chacune. Ainsi, le rapport de transformation sera de 55.
Le refroidissement des diodes et du transformateur est réalisé à partir des plaques (3) et des collecteurs (14), lesquels sont refroidis par eau ou par air. Suivant un deuxième mode préféré de réalisation de l'invention donnée, là aussi à titre purement indicatif et bien entendu nullement limitatif, le convertisseur statique, objet de l'invention est utilisé comme source à haute tension, ce qui peut encore s'appeler " convertisseur élévateur d'impédance ". Dans ce cas, on utilise les plaques (3) pour constituer les primaires ainsi que schématisé sur la figure 5. Pour mieux comprendre l'invention, plaçons nous dans le cas concret d'une alimentation à haute tension délivrant une tension de 5600 volts.
Supposons que le noyau ait une section de 50 cm2 et qu'il supporte une induction crête de 0.28T à la fréquence de 5kHz. Le nombre de spires primaires, c'est à dire de plaques (3) connectées en série par le jeu des colonnes de connections Ai et Δ2 sera de 20. Les connections des plaques se feront par une série d' entretoises (15) alternativement isolantes ou conductrices. Comme précédemment, les plaques (3), comportant une lumière (10) pour laisser passer le noyau ainsi qu'une fente (11) nécessaire pour former une spire, sont empilées alternativement face F en haut puis en bas, puis en haut etc ...de telle sorte que les spires tournent dans le même sens formant ainsi un bobinage spirale. Les secondaires sont formés par des bobines (2) de type " à double spirale " déjà évoqué plus haut. On a sur la figure 5 représenté une cellule utilisant deux bobines (2) connectées dans un sens convenable pour que les deux fils de sortie (16) et (17) délivrent des créneaux carrés en opposition de phase. Dans ces conditions, les diodes (18) et (19) permettent d'effectuer un redressement dit " diphasé ".
La connexion de toutes les cellules élémentaires s'effectue comme schématisé sur la figuré 6 b. Avec 10 plaques (3) au primaire, on pourra réaliser 5 cellules. Chaque bobine devra comporter 20 spires. Comme précédemment, le refroidissement du transformateur pourra avantageusement s 'effectuer au moyen des plaques (3) ; celles-ci pouvant être refroidies par air ou par eau. sur la figure 6 b, on a représenté une cellule de filtrage L C placée sur la sortie du convertisseur.
Suivant un troisième mode de réalisation de l'invention, donné là encore à titre purement indicatif et, bien entendu, nullement limitatif, le transformateur intègre entre ses plaques conductrices (20) de forme un peu différente, utilisées cette fois en tant que primaire, une série de générateurs constitués par des ponts dans le but cette fois, de réduire l'inductance de
' connexion entre le générateur et le transformateur. En effet, cette inductance s'ajoute aux deux (inductance de fuite et inductance de connections des redresseurs) , évoquées plus haut. La figure 7 représente ce générateur, qui comme précédemment, est composé de plusieurs cellules permettant la réalisation de l'alternance primaire-secondaire dont on a vu qu'elle constitue le fondement de l'invention. Sur la figure, on a représenté deux points qui utilisent des transistors (21) en boîtiers assez plats, disons par exemple des S 247. Avantageusement, ces transistors peuvent être des MOS ou des IGBT. Ils sont connectés suivant le schéma classique du pont, entre des plaques d'alimentation continue (22) de polarité + et (23) de polarité -. On dispose par ailleurs des condensateurs (C), au plus près possible des transistors (21), entre les plaques (22) et (23). Le secondaire est réalisé comme précédemment avec redresseurs intégrés, pourvu qu'il soit fractionné. Le fractionnement peut être obtenu, même dans le cas d'une bobine unique, il suffit dans ce cas de relier en série des bobines plates (2) ou des plaques à une spire (3) connectée en série au moyen de colonnettes conductrices (15). Suivant un quatrième mode de réalisation de l'invention lui aussi donné à titre purement indicatif, on effectue un redressement suivant le schéma (c). Dans cas, les diodes (4) sont empilées entre les secondaires (3) et les plaques collectrices (14) suivant les axes Δ6 et Δ (voir figure 11). On peut prolonger les plaque (3) afin de réaliser les inductances L en plaçant deux noyaux (25) entre le redresseur et la sortie ainsi que schématisé sur la figure 12. Un des aspects technologique important dans la réalisation de l'invention est le serrage des diodes. Il doit assurer un contact sous pression constante, quelles que soient les dilations différentielles. Pour maintenir un contact sur toute la surface de la diode, il est nécessaire d'avoir une parfaite planéité des lames conductrices (3) et (14). On assure le serrage au moyen d'au moins 4 vis (24), à haute limite élastique.
Un autre aspect technologique important réside dans le refroidissement des plaques conductrices (3) et (14), qui assure l'évacuation des calories des bobines du transformateur, mais aussi et surtout des diodes (4) qui, dans certaines machines à souder par point, peuvent dégager des densités de puissance très élevées. Le refroidissement peut s 'effectuer simplement en donnant aux plaques (3) et (14), une surface suffisante sur laquelle on provoque une circulation forcée d'air. Pour les puissances plus élevées, il faut nécessairement utiliser un liquide caloporteur (eau, glycol, coolanol, fréon, huile etc.). Les plaques sont constituées par deux feuilles de cuivre. On grave des canaux dans l'une d'elles (voir figure 10) et on brase les deux feuilles l'une sur l'autre, de telle sorte que l'on puisse faire circuler le liquide dans l'épaisseur de la feuille. Celui-ci est introduit par exemple par l'orifice (26) et extrait par (27), ceci au moyen d'un jeu convenable d'entretoises étanches et creuses, non représentées sur les figures. On peut ainsi canaliser le liquide jusqu'au niveau de la diode.
L'invention pourra être utilisée dans tous les cas où un convertisseur statique est requis. Citons à titre indicatif quelques applications type de l'invention : - générateur à très faible impédance destiné à équiper les machines à souder par point.
- générateur à faible impédance destiné à alimenter les torches à souder de type MIG ou TIG ainsi que les torches à découper.
- générateur à haute tension
- chargeur de condensateur, chargeur - déchargeur de batteries, etc ....

Claims

REVENDICATIONS
1- Transformateur à haute fréquence, à redresseur intégré, ayant des bobines primaires et/ou secondaires, constituées par des lames conductrices (3) entourant une seule jambe de noyau magnétique, caractérisé en ce qu'il fonctionne à un fréquence comprise entre 3 et 50 kHz et comporte :
- des diodes de redressement en silicium (4), avantageusement sous forme de pastilles nues, directement comprimées entre les lames conductrices (3) lesquelles peuvent être réalisées en cuivre ou en aluminium.
- un empilement alterné, sur la jambe de noyau (1), des bobines plates (2) et des plaques conductrices (3), avantageusement disposées suivant un nombre élevé d'alternances (2)-(3).
2- Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le redressement s'effectue soit suivant un circuit de type diphasé à 2 diodes avec un secondaire à point milieu (a), soit avec un pont classique (b), soit avec un circuit à 2 inductances de filtrage (c).
3- Dispositif suivant la revendication 2, caractérisé en ce que les diodes de redressement (4) sont fortement pressées par des moyens convenables (24) entre les lames conductrices (3) constituant les secondaires et des lames collectrices (14), afin d'assurer un bon contact thermique et électrique.
4- Dispositif suivant la revendication 3, caractérisé en ce que les lames collectrices (14) et les lames conductrices (3) sont refroidies soit par circulation d'air, soit par une circulation d'eau dans l'épaisseur de la lame grâce à des canaux (25).
5- Dispositif suivant l'une quelconque des revendications de 1 à 4, caractérisé en ce que les lames conductrices (3) sont utilisées en tant que primaire, soit directement, soit avec mise en série au moyen de colonnettes conductrices (15), disposées en quinconce suivant les axes Δ et Δ5.
6- Dispositif suivant l'une quelconque des revendications de 1 à 4, caractérisé en ce que les lames conductrices (3) ont une forme en U (20) et sont utilisées en tant que primaire et attaquées par un générateur de découpage en pont constitué par 4 switches (21) disposés entre des lames d'alimentation continue (22) et (23), le motif constituant le pont étant avantageusement reproduit un grand nombre de fois, les lames (20) étant intercalées entre des bobines (2) ou des plaques (3) utilisées comme secondaire
7- Dispositif suivant l'une quelconque des revendications de 1 à 6, caractérisé en ce que les lames conductrices (3) étant des secondaires, on réalise le redresseur (a), n fois, en reliant tous les points milieu par des colonnettes conductrices (5), suivant Δi alors que les diodes sont empilées suivant Δ2.Les diodes pouvant être en position (12) ou (13) et les points milieu respectivement (13) ou (12).
8- Dispositif suivant l'une quelconque des revendications de 1 à 7,caractérisé en ce que les bobines plates (2) sont réalisées soit par du bobinage en fil émaillé suivant 2 spirales superposées reliées en leur centre, l'une centripède, l'autre centrifuge soit par 2 plaques de cuivre découpées en spirale et reliées entre elles par une soudure au centre de la bobine. 9- Dispositif suivant l'une quelconque des revendications de 1 à 8, caractérisé en ce que l'invention est utilisée pour la construction des convertisseurs statiques, qu'ils soient élévateurs de tension ou abaisseurs.
10- Dispositif suivant l'une quelconque des revendications de 1 à 8, caractérisé en ce qu'il est utilisé pour alimenter des machines à souder, par point ou de type TIG, MIG, ARC ...ou encore des machines à plasma pour le shoopage, la découpe plasma etc...
11 - Dispositif suivant l'une quelconque des revendications de 1 à 10 caractérisé en ce que la plaque conductrice (3) est un caloduc plat.
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