Composant magnétique intégré pour convertisseur de puissance DAB

Cet article présente un composant magnétique intégré (Integrated Magnetic Component IMC) innovant, qui regroupe les fonctions d'inductance et de transformateur en un seul composant. Cet IMC offre une grande densité de puissance et répond aux exigences de fréquences de commutation élevées. Par exemple, un composant de moins de 250 g, plus de deux fois plus léger que deux composants discrets fonctionnellement équivalents, est capable de transférer 2 kW à 300 kHz avec un rendement proche de 99 %. Ces composants intégrés sont destinés aux convertisseurs de puissance de quelques kW à quelques dizaines de kW, fonctionnant à plusieurs centaines de kHz. L'utilisation d’IMCs facilite la fabrication, réduit le volume et le poids, et augmente la fiabilité en réduisant le nombre de composants.

Ce composant est le résultat d'une double optimisation réalisée à l'aide du logiciel de simulation par éléments finis FLUX en 3D :

• Réduction du poids et du volume du circuit magnétique tout en contrôlant la valeur relativement grande de l'inductance de fuite,
• Réduction des pertes dans le cuivre. Elles sont dues en grande partie aux courants de Foucault, effet de proximité et courants de circulation.
   

En général, une augmentation de l'inductance de fuite tend à augmenter les courants de Foucault. La partie innovante et ambitieuse de ce travail consistait à augmenter les fuites tout en réduisant les courants de Foucault. Une autre partie délicate de ce travail consistait à trouver un bon compromis entre la précision des calculs des pertes par courants de Foucault et les temps de résolution associés aux tailles du maillage. Dans une dernière étape, les résultats des simulations ont été comparés et validés par des mesures expérimentales.

INTRODUCTION

La réduction de l'empreinte carbone est l'un des principaux défis sociétaux actuels. La mobilité électrique est un levier puissant pour atteindre cet objectif, mais elle nécessite la gestion d'une puissance électrique élevée tout en contrôlant le poids. Cela n’est possible qu'en utilisant des architectures de puissance innovantes impliquant des fréquences et des tensions plus élevées.

Les composants magnétiques sont essentiels au fonctionnement des convertisseurs de puissance. L'utilisation d'architectures de conversion innovantes à haute fréquence nécessite le développement de composants magnétiques spécifiques pour atteindre les performances souhaitées. À haute fréquence, les inductances de fuite et les capacités parasites peuvent fortement affecter le fonctionnement de l'alimentation électrique et doivent être maîtrisées.
Des technologies spécifiques ont été développées pour contrôler et exploiter le flux magnétique afin d'intégrer l'inductance série requise par la plupart de ces nouvelles architectures dans le transformateur, tout en maintenant un rendement élevé.

Cet article concerne l'architecture DAB, mais l’IMC répond également aux exigences des inductances des convertisseurs LLC et des selfs couplées utilisées dans les convertisseurs entrelacés.
Le DAB a été choisi car il s'agit de l'une des architectures les plus prometteuses pour la gestion de l'énergie électrique grâce à son fonctionnement bidirectionnel, sa commutation douce et le paramètre de contrôle supplémentaire avec déphasage entre l'onduleur et le redresseur.
 

CARACTÉRISTIQUES DU COMPOSANT MAGNÉTIQUE INTÉGRÉ (IMC)

La première étape pour répondre aux exigences de haute fréquence est la reproductibilité du flux de fuite et des capacités parasites. Cela a été réalisé en utilisant des technologies d'enroulements basées sur des conducteurs en bande ou en plaque de cuivre maintenues en place par des carcasses spécifiques.
Une inductance de fuite suffisamment élevée pour répondre aux valeurs d'inductances série requises par les architectures innovantes nécessite une augmentation significative du flux de fuite entre les enroulements. Ce champ magnétique peut générer des pertes par courants de Foucault élevées dans les conducteurs et doit être canalisé à l'aide de configurations magnétiques spécifiques.

Le contrôle des valeurs d'inductances de fuite nécessite l'utilisation d'entrefers dans les noyaux magnétiques. Chaque entrefer peut générer un champ magnétique qui entraîne également des pertes par courants de Foucault dans les conducteurs voisins. Des entrefers distribués ont été utilisés pour atténuer ce phénomène.
Des courants élevés à hautes fréquences tout en réduisant le volume conduit à l'utilisation de plusieurs conducteurs en parallèle. Cette solution doit être utilisée avec prudence, car toute différence de longueur ou de flux magnétique entre chaque conducteur entraîne des courants de circulations et une distribution non homogène du courant moyen.

Les éléments susmentionnés sont les facteurs clés pour concevoir et optimiser un IMC au niveau de courant et de fréquence considéré.
L'analyse effectuée a rapidement montré les limites des méthodes analytiques, qui ne peuvent être utilisées que pour évaluer les pertes dans des géométries très spécifiques. La simulation par éléments finis est nécessaire, mais nécessite que les phénomènes puissent être modélisés et simulés avec précision.
 

DIFFICULTÉS DE MODÉLISATION ET DE SIMULATION

La modélisation de ces phénomènes est donc essentielle pour l'optimisation des composants.
La taille des mailles est un point critique de la simulation. Elle doit être suffisamment petite pour modéliser correctement les courants de Foucault dans les conducteurs, mais suffisamment grande dans les zones moins critiques pour réduire les temps de calcul. De la même manière, la simulation 2D doit être préférée à la simulation 3D tant que les résultats restent suffisamment précis.

L'une des principales difficultés consistait à identifier un maillage répondant à la contrainte ci-dessus. Le maillage automatique traditionnel utilisant des triangles (2D) et des tétraèdres (3D) sur toute la surface discrétisée (2D) ou le volume (3D) n'est pas adapté. Nous avons utilisé des carrés ou des cubes extrudés. De plus, dans un certain nombre de cas de courants de Foucault, la loi traditionnelle de 2 mailles dans l'épaisseur de peau n'est pas suffisante. Par exemple, dans le cas d'un conducteur face à un entrefer, des courants de Foucault apparaissent à des fréquences bien inférieures à l'épaisseur de peau. Enfin, les surfaces/volumes où nous avons supposé que les densités de courant pouvaient varier considérablement ont été définis précisément, afin de limiter les zones dans lesquelles le maillage était affiné.

Toutes ces précautions n'ont pas suffi pour obtenir des résultats fiables dans un délai acceptable. Nous avons utilisé un nouveau solveur récemment développé, appelé « méthode FE pour calculer la facette J0 et l'arête Tjw (J0=J0f + rot Tjw) ». Le principe de ce solveur est de comparer les densités de courant J d'une maille à l'autre. Si les variations, appelées mathématiquement gradients, sont abruptes et/ou discontinues, les valeurs sont erronées. Le solveur modifie alors les valeurs à l'aide d'une loi de compensation. Nous avons testé ce solveur en comparant les résultats de pertes obtenus sur deux exemples : l'un avec un maillage grossier et le nouveau solveur, l'autre avec un maillage très fin. Sur les deux exemples, la différence était de quelques %, tandis que le temps de résolution était beaucoup plus court avec le maillage grossier.
Un autre aspect délicat consiste à prendre en compte la distribution des courants moyens dans les conducteurs en parallèle. Grâce au couplage électrique/magnétique via les équations de circuit, le logiciel utilisé était parfaitement adapté à cette tâche. D'autres programmes, tels que FEMM, nécessitent une résolution itérative pour rendre identiques les tensions aux bornes de chaque conducteur en parallèle.
 

ANALYSE RAPIDE DU FONCTIONNEMENT DAB

Une fois la méthode de maillage définie, le convertisseur doit être analysé afin de reproduire son fonctionnement.
Les pertes prises en compte proviennent de la circulation des courants dans les conducteurs. Il est donc essentiel de reproduire fidèlement les courants circulant dans le composant pendant le fonctionnement du convertisseur, et en particulier de respecter les phases des courants primaires et secondaires. En effet, la phase a une influence majeure sur la compensation d'ampères-tours, modifiant considérablement les champs magnétiques présents à proximité des enroulements.

Le DAB a été choisi pour l'optimisation de l’IMC. Ce convertisseur se compose d'une inductance en série avec un transformateur entre deux ponts complets :

 

Figure 1 : Architecture du Dual Active Bridge

Cette architecture offre plusieurs stratégies de contrôle/commande basées sur : soit le rapport cyclique de l’onduleur, soit celui du redresseur, soit le déphasage entre les deux ponts, soit une combinaison des trois. Le contrôle par déphasage a été choisi pour sa simplicité, car l'objectif de cette étude n'est pas d'optimiser le convertisseur de puissance, mais de se concentrer sur les composants magnétiques.

Sans déphasage entre les deux ponts, des tensions synchrones en onde carrée sont générées des deux côtés de l'inductance. Grâce au transformateur, ces tensions ont la même amplitude et aucun courant ne circule dans l'inductance. Par conséquent, aucune puissance ne transite par le convertisseur.
 

Figure 2 : Formes d'onde des tensions et des courants d'inductance sans et avec déphasages

Un Un déphasage positif génère une tension à travers l'inductance, entraînant un transfert de courant et d'énergie de l'entrée vers la sortie. Un déphasage négatif entraîne un transfert d'énergie de la sortie vers l'entrée.

CARACTÉRISATION DE L'IMC

La première étape avant de simuler le fonctionnement du DAB consiste à calculer les inductances de fuite et de magnétisation à partir des simulations par éléments finis. Selon la méthode développée par Zaikin et Denys, trois simulations sont nécessaires pour calculer ces paramètres.

ZAIKIN, DENYS (2023) : Extraction des paramètres de transformateur à partir de simulations FEMM et création automatisée d'un modèle SPICE de transformateur à l'aide d'un langage de script. TechRxiv. Prépublication. https://doi.org/10.36227/techrxiv.22263358.v4

La première simulation consiste à alimenter uniquement l'enroulement primaire avec un générateur de courant, en laissant le secondaire à vide. La deuxième consiste à alimenter uniquement l'enroulement secondaire avec un générateur de courant, en laissant le primaire à vide. La troisième consiste à alimenter les enroulements primaire et secondaire avec des générateurs de courant en opposition de phase afin d'annuler le champ magnétique. Les valeurs d'inductance peuvent être déduites de ces trois résultats de simulation, qui sont linéairement indépendants d'un point de vue mathématique. Le maillage fin des conducteurs nécessaire pour modéliser avec précision les phénomènes de courants de Foucault à haute fréquence augmente considérablement les temps de calcul, et la simulation 3D a dû être abandonnée. La profondeur du modèle 2D a été ajustée pour compenser l'absence de chemin magnétique de retour et obtenir la valeur correcte de l'inductance de fuite, qui représente l'inductance série du DAB.

Rappelons que la caractérisation d'un transformateur à deux enroulements nécessite la détermination de 3 paramètres. Nous avons choisi 1 inductance série, 1 inductance parallèle et 1 rapport de transformation, comme le montre la figure 3 ci-dessous.
Les facteurs clés pour l'optimisation des IMC sont les pertes générées par les courants élevés à haute fréquence. La manière la plus appropriée et la plus simple d'alimenter le modèle est donc d'utiliser des générateurs de courant. Compte tenu du circuit équivalent de base suivant, deux générateurs de courant peuvent alimenter le modèle.


 

Figure 3 : Alimentation en courant de l'IMC

Si les courants d'entrée et de sortie sont en phase, il n'y a pas de courant dans l'inductance magnétisante, pas de tension entre ses extrémités et donc pas de puissance transférée de l'entrée vers la sortie. Le déphasage entre les courants d'entrée et de sortie entraîne un transfert d'énergie et permet de contrôler son amplitude et sa direction.
Il contrôle également la tension aux bornes de l'inductance magnétisante et donc les tensions primaire et secondaire du transformateur.
La première étape pour reproduire le fonctionnement du DAB consiste à régler les courants à leurs valeurs nominales. La deuxième étape consiste à régler le déphasage des courants pour atteindre la tension nominale côtés primaire et secondaire du transformateur.
 

Figure 4 : Tensions primaires (violet) et secondaires (vert) en fonction du déphasage du courant Les tensions nominales ont été obtenues avec un déphasage de 2,11 degrés.

Avec des courants et des tensions identiques en amplitude et en phase, le fonctionnement du double pont actif est reproduit avec précision. Ceci a été vérifié en calculant la puissance de sortie correspondant exactement à la valeur nominale. L'inconvénient de cette méthode est sa grande sensibilité à la valeur du déphasage. Cette valeur est faible, mais doit être très précise pour fonctionner aux tensions appropriées.

RÉSULTATS EXPÉRIMENTAUX AVEC L'IMC

Les méthodes susmentionnées ont été utilisées pour optimiser un composant magnétique intégré pour un pont actif double de 2 kW, 270 V/28 V, fonctionnant à 300 kHz.
La figure 5 ci-dessous présente les formes d'onde obtenues sur le modèle DAB avec le composant magnétique intégré. Elles sont conventionnelles.

 

Figure 5 : Formes d'onde de tension et de courant du DAB avec l'IMC

Le composant magnétique optimisé a été évalué avec succès en fonctionnement nominal. Principales caractéristiques :
Volume : 85 cm³, Poids : 250 g, Pertes < 20 W à puissance nominale, Fonctionnement à température ambiante sans dissipateur thermique.

La figure 6 ci-dessous illustre la différence entre les deux composants magnétiques discrets initialement utilisés dans le DAB et la version finale de l'IMC. Le composant magnétique intégré est deux fois plus compact et léger que les deux composants discrets.

Figure 6 : Formes de 2 composants magnétiques discrets (en haut) par rapport à l'IMC final (en bas)

Les informations sur la construction et les solutions techniques utilisées pour atteindre ces performances ne sont pas détaillées ici afin de préserver la confidentialité. Des informations complémentaires seront fournies lors de la présentation.

Le 1er Composant Magnétique Intégré (IMC) a été conçu début 2024. Depuis, nous avons grandement amélioré notre méthode de conception.

Nous avons défini des règles qui permettent de limiter le nombre de simulations à réaliser. En plus des valeurs de self de résonance et de magnétisation, des poids et volume, un autre paramètre qui nous guide est le rapport entre la self de résonance et la self magnétisante. Aujourd’hui, en fonction de la spécification du client, nous savons orienter nos choix technologiques initiaux afin que la simulation ne soit utilisée que pour affiner ces choix et calculer les valeurs des principaux paramètres, inductances et pertes par courants de Foucault. Le temps de conception a été réduit et la qualité des résultats s’est améliorée.

En septembre 2025, nous en sommes à 6 IMC conçus. 3 ont été testés et ont fonctionné du 1er coup. 2 autres sont en cours de fabrication ou test. Leur puissance va de 1 à 25 kW et leur fréquence de fonctionnement de 100 à 320 kHz. Les marchés adressés sont : aéronautique, industriel, et spatial.
 

Benoit Krafft ⁽¹⁾, Bruno Cogitore ⁽²⁾
(1)    EXXELIA
16 parc d’activités du Beau Vallon, 57970 ILLANGE, FRANCE
(2)    EXXELIA
137 rue de Mayoussard, ZA de Centr’Alp, 38430 MOIRANS, FRANCE