FR2556493A1 - Electromagnetic winding and transformer containing such a winding - Google Patents
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Abstract
Description
BORINAGE ELECTROMAGNETIQUE ET TRANSFORMATEUR
COMPORTANT UN TEL BOBINAGE
La présente invention concerne les bobinages électromagné- tiques et les transformateurs comportant de tels bobinages généralement utilisés dans des circuits électroniques de puissance et en particulier dans des alimentations électriques de circuits électroniques.ELECTROMAGNETIC POLISHING AND TRANSFORMER
INCLUDING SUCH WINDING
The present invention relates to electromagnetic coils and transformers comprising such coils generally used in electronic power circuits and in particular in electrical power supplies of electronic circuits.
Selon qu'il s'agit d'une self-inductance ou d'un transformateur de tension, le bobinage comporte classiquement une ou plusieurs bobines enroulées ou non autour d'un circuit magnétique. Dès que l'enroulement est parcouru par un courant, il y a des pertes qui se traduisent par un dégagement de chaleur autour de la bobine. Plus la densité de courant dans l'enroulement est forte, plus la chaleur dégagée est importante. Lorsque la bobine est enroulée autour d'un circuit magnétique, le circuit magnétique a d'autant plus de difficultés pour dissiper la chaleur qu'il émet, que l'enroulernent rayonne lui-mEme, le point milieu du circuit étant le point le plus chaud. La chaleur se dissipe transversalement au sens des spires. Depending on whether it is a self-inductance or a voltage transformer, the winding conventionally comprises one or more coils whether or not wound around a magnetic circuit. As soon as a current flows through the winding, there are losses which result in the generation of heat around the coil. The higher the current density in the winding, the greater the heat released. When the coil is wound around a magnetic circuit, the magnetic circuit has all the more difficulties in dissipating the heat that it emits, as the winding radiates itself, the midpoint of the circuit being the most hot. The heat dissipates transversely in the direction of the turns.
Dans les alimentations à découpage nécessitant des fréquences de travail élevées (quelques dizaines à quelques centaines de kilohertz), le circuit magnétique est en général un ferrite peu conducteur de chaleur et à point de Curie bas, si bien que pour certaines applications où la température dépasse une centaine de degrés
Celsius, ces alimentations ne peuvent pas être utilises sans pré caution particulières, car les caractéristiques magnétiques du circuit sont altérées.In switching power supplies requiring high working frequencies (a few tens to a few hundred kilohertz), the magnetic circuit is generally a low heat conductive ferrite and at low Curie point, so that for certain applications where the temperature exceeds a hundred degrees
Celsius, these power supplies cannot be used without particular precaution, because the magnetic characteristics of the circuit are altered.
Pour résoudre ces inconvénients, il est donc courant d'aug menteur la taille des bobinages afin que la densité du courant soit moins élevée et ainsi éviter une forte augmentation de la chaleur. To resolve these drawbacks, it is therefore common to increase the size of the windings so that the current density is lower and thus avoid a large increase in heat.
Or, dans des applications de plus en plus nombreuses, et en particulier dans des modules de puissance réalisés selon la technologie des circuits hybrides, il est souhaitable de miniaturiser les bobinages électromagnétiques pour obtenir des systèmes d'alimen- tations compatibles avec cette technologie. However, in an increasing number of applications, and in particular in power modules produced using hybrid circuit technology, it is desirable to miniaturize the electromagnetic coils to obtain power systems compatible with this technology.
La présente invention a pour objet un bobinage électromagnétique ayant une configuration qui permet de bien évacuer les pertes et par conséquent de dissiper la chaleur, si bien que son encombrement peut être réduit par rapport à celui d'un bobinage classique. The subject of the present invention is an electromagnetic coil having a configuration which makes it possible to properly evacuate the losses and consequently to dissipate the heat, so that its size can be reduced compared to that of a conventional coil.
La présente invention a plus précisément pour objet un bobinage électromagnétique comprenant des spires conductrices, caractérisé en ce qu'il comporte un support isolant et conducteur thermique sur lequel reposent les spires, afin de capter la chaleur dégagée par les spires et transmise par ces spires, chaque spire étant discontinue, la continuité électrique étant réalisée par le support. The present invention more specifically relates to an electromagnetic coil comprising conductive turns, characterized in that it comprises an insulating and thermal conductive support on which the turns rest, in order to capture the heat given off by the turns and transmitted by these turns, each turn being discontinuous, electrical continuity being provided by the support.
L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description ciaprès, donnée à titre d'exemple non limitatif et illustrée par les dessins annexés sur lesquels:
- la figure 1 représente une vue éclatée du bobinage selon l'invention dans une première application.The invention will be better understood with the aid of the description below, given by way of nonlimiting example and illustrated by the appended drawings in which:
- Figure 1 shows an exploded view of the winding according to the invention in a first application.
- la figure 2 représente une vue éclatée du bobinage selon l'invention dans une deuxième application. - Figure 2 shows an exploded view of the winding according to the invention in a second application.
- la figure 3 représente une coupe du bobinage selon l'invention. - Figure 3 shows a section of the winding according to the invention.
Sur la figure 1, on a donc représenté une vue éclatée d'un bobinage selon l'invention. Elle concerne une première application de ce bobinage en tant que self-inductance. Le bobinage comprend une bobine 1, et un support 2. In Figure 1, there is therefore shown an exploded view of a winding according to the invention. It relates to a first application of this winding as a self-inductance. The winding comprises a coil 1, and a support 2.
La bobine est constituée par un ensemble de spires S1 à Sn. The coil consists of a set of turns S1 to Sn.
Ces spires ne sont pas obtenues de maniere conventionnelle par enroulement d'un seul fil conducteur autour d'un noyau. Elle sont constituées par un ensemble de fils conducteurs PI à Pn identiques, jointifs et recouverts d'une gaine isolante non représentée, ces fils étant recourbés sur eux-mêmes de manière à former une loge dans laquelle peut être introduit un circuit magnétique. Les deux extrémités 3 et 4 de chaque fil sont réalisées de manière à pouvoir reposer sur le support pour établir un contact thermique et électrique. Elles peuvent par exemple être en vis-à-vis comme cela est représenté sur cette figure, soit être recourbées vers l'extérieur et s'opposer. Les extrémités de chaque spire sont reliées au support 2 de façon à permettre une liaison électrique, il s'agit par exemple d'une soudure.These turns are not obtained in a conventional manner by winding a single conductive wire around a core. They consist of a set of identical PI to Pn conductive wires, joined and covered with an insulating sheath, not shown, these wires being bent over themselves so as to form a box into which a magnetic circuit can be introduced. The two ends 3 and 4 of each wire are made so as to be able to rest on the support to establish thermal and electrical contact. They can for example be opposite as shown in this figure, or be bent outwards and oppose. The ends of each turn are connected to the support 2 so as to allow an electrical connection, for example it is a weld.
Le support 2 comprend un circuit imprimé 5 et un radiateur 6. The support 2 comprises a printed circuit 5 and a radiator 6.
Le circuit imprimé 5 est placé sur le radiateur et en est solidaire, c'est un circuit isolant, bon conducteur thermique. Un ensemble de fils conducteurs F1 à Fn sont imprimés sur le circuit 5 afin que, lorsque la bobine est fixée sur ce circuit 5 et qu'elle est alimentée, le courant puisse la parcourir. En effet, à un instant donné, le courant arrive sur le fil F1, suit la première spire P1, puis parcourt successivement le deuxième fil F2 et la spire P2 jusqu'à la spire Pn et le fil Fn. La chaleur dégagée par une spire donnée (et par un circuit magnétique dans le cas oU le bobinage comporte un circuit magnétique) est transmise au support 5 longitudinalement le long de cette spire (et non transversalement comme dans les circuits classiques).Le circuit 5 est conçu pour permettre la liaison électrique entre les spires et pour capter avantageusement la chaleur dégagée par le bobinage et la transmettre au radiateur 6. Le circuit 5 est dans cette réalisation particulière une plaque d'alumine de quelques centaines de microns d'épaisseur.The printed circuit 5 is placed on the radiator and is integral therewith, it is an insulating circuit, good thermal conductor. A set of conducting wires F1 to Fn are printed on the circuit 5 so that, when the coil is fixed on this circuit 5 and that it is supplied, the current can pass through it. Indeed, at a given instant, the current arrives on the wire F1, follows the first turn P1, then travels successively the second wire F2 and the turn P2 to the turn Pn and the wire Fn. The heat given off by a given turn (and by a magnetic circuit in the case where the winding includes a magnetic circuit) is transmitted to the support 5 longitudinally along this turn (and not transversely as in conventional circuits). Circuit 5 is designed to allow the electrical connection between the turns and to advantageously capture the heat given off by the winding and transmit it to the radiator 6. In this particular embodiment, circuit 5 is an alumina plate a few hundred microns thick.
Le radiateur 6 est connu en soi, il permet donc de dissiper la chaleur dégagée et ainsi de permettre un refroidissement permanent du bobinage. The radiator 6 is known per se, it therefore makes it possible to dissipate the heat released and thus allow permanent cooling of the winding.
La bobine a donc un rôle supplémentaire puisqu'elle sert de bus therrnique, chaque spire étant en contact thermique en ses deux extrémités avec le circuit 5, ce circuit étant bon conducteur thermique et faisant office de plaque froide. La résistance thermique de la bobine est faible, ce qui a pour conséquence de pouvoir passer des courants plus élevés que dans une bobine conventionnelle de même encombrement. The coil therefore has an additional role since it serves as a thermal bus, each turn being in thermal contact at its two ends with the circuit 5, this circuit being a good thermal conductor and acting as a cold plate. The thermal resistance of the coil is low, which results in being able to pass higher currents than in a conventional coil of the same size.
Pour une bobine en cuivre, on peut par exemple augmenter la densité de courant jusqu'à dix fois sans perturbation du fonctionnement. Le volume du bobinage peut donc être réduit de 10 à 20 fois. For a copper coil, one can for example increase the current density up to ten times without disturbing the operation. The winding volume can therefore be reduced from 10 to 20 times.
Sur la figure 2, on a représenté une deuxième application du bobinage selon l'invention. Les références des éléments communs à la première réalisation sont identiques. In Figure 2, there is shown a second application of the winding according to the invention. The references of the elements common to the first embodiment are identical.
Au lieu d'être constitué par un seul ensemble de spires conductrices connectées en série, le bobinage comporte un deuxième ensemble de spires conductrices S1 à Sp connectées en parallèle sur le premier et un circuit magnétique 7,8. Selon le nombre de spires du deuxième ensemble, le bobinage se comporte comme un transformateur abaisseur ou élévateur de tension, le primaire étant par exemple constitué par les spires P1 à Pn et le secondaire par les spires Si à Sp. Instead of being constituted by a single set of conductive turns connected in series, the winding comprises a second set of conductive turns S1 to Sp connected in parallel on the first and a magnetic circuit 7.8. Depending on the number of turns of the second set, the winding behaves like a step-down or step-up transformer, the primary being for example constituted by the turns P1 to Pn and the secondary by the turns Si to Sp.
Pour des facilités de connexion sur le circuit imprimé 5, les extrémités des spires P1 à Pn constituant le primaire, sont recourbées par exemple vers l'intérieur de la loge formée par le bobinage tandis que les extrémités des spires S1 à Sp constituant le secondaire, sont recourbées vers l'extérieur de cette même loge. La liaison électrique entre les spires S1 à Sp du secondaire est également réalisée par le circuit imprimé qui dans ce cas est un circuit imprimé double face. For ease of connection on the printed circuit 5, the ends of the turns P1 to Pn constituting the primary, are bent for example towards the inside of the box formed by the winding while the ends of the turns S1 to Sp constituting the secondary, are bent outward from this same lodge. The electrical connection between the turns S1 to Sp of the secondary is also carried out by the printed circuit which in this case is a double-sided printed circuit.
Les deux ensembles de spires contribuent également à évacuer la chaleur vers le support froid 5. The two sets of turns also help to dissipate the heat towards the cold support 5.
Le circuit magnétique 7, 8 est constitué dans notre réalisation particulière, de deux boîtiers aptes à être introduits à l'intérieur du bobinage et à envelopper les spires lorsqu'ils sont joints afin de capter le maximum de flux. Il est bien évident que la forme de ce circuit peut être quelconque dès l'instant où il assure sa fonction de manière fiable. The magnetic circuit 7, 8 consists in our particular embodiment, of two boxes able to be introduced inside the winding and to wrap the turns when they are joined in order to capture the maximum flux. It is obvious that the shape of this circuit can be arbitrary as soon as it performs its function reliably.
La figure 3 représente une vue en coupe du circuit électro magnétique selon l'invention. Elle permet de montrer le mouvement du flux de chaleur sur une spire. L'équation de distribution de la température sur une spire permet de montrer que le point C situé à égale distance des deux extrémités d'une spire est le point le plus chaud. L'élévation de la température en ce point varie en sens inverse de la longueur de la spire. Cette configuration a donc un effet cumulatif, plus les fils de la bobine seront courts et plus le point C se rapprochera des extrémités 3 et 4 et plus il se refroidira, contrairement aux bobinages classiques. FIG. 3 represents a sectional view of the electromagnetic circuit according to the invention. It shows the movement of the heat flow over a turn. The equation of distribution of the temperature on a turn makes it possible to show that the point C located at equal distance from the two ends of a turn is the hottest point. The temperature rise at this point varies in opposite direction to the length of the coil. This configuration therefore has a cumulative effect, the shorter the wires of the coil and the more the point C will approach the ends 3 and 4 and the more it will cool, unlike conventional windings.
Pour un fil de cuivre dont les conditions d'utilisation provoquent un dégagement de chaleur de 1000C, le fil ayant les caractéristiques suivantes:
- résistivité électrique P = 2,3 108 m
- conductibilité thermique 2 = 381 W. ml K-1
- densité du courant d = 40 A/mm2
- longueur de la spire 1 = 30 min
La variation de chaleur A 0 ne dépassera pas 8 OC, la puissance dissipée par une spire sera P = 0,24 W. For a copper wire whose conditions of use cause a heat release of 1000C, the wire having the following characteristics:
- electrical resistivity P = 2.3 108 m
- thermal conductivity 2 = 381 W. ml K-1
- current density d = 40 A / mm2
- length of coil 1 = 30 min
The variation in heat A 0 will not exceed 8 OC, the power dissipated by a turn will be P = 0.24 W.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| ST | Notification of lapse |