Modélisation analytique et outils pour l'optimisation des transformateurs de puissance haute fréquence planars
Résumé
With a small size and performance which can exceed 99% , the planar transformers provides an attractive technological solution for the realzation of electrical energy conversion and conditioning systems in power electronics. The aim of the study is to find models that allow the component to simulate its behavior in a power electronic circuit and optimize its performance during design. Given the frequency domain to cover, modeling must take into account simultaneously the effectsof induced currentsand parasiticcapacitances, which leads to the numerical modelingat high frequency, needs prohibitive in terms of memory or time calculation. Limited to planar transformers, modeling (known as LEEC) presented here is based on a discrete scale intermediate turn by turn , in other words layer by layer. It combines two analytical approaches already introduced by the team: the first deals with aspects electrokinetic (including induced currents) and also magnetic and electrostatic aspects. The equivalent circuit thus obtained show very good agreement with measurements up to 40 MHz and the values of their elements are deduced from physical and geometrical parameters describing the transformer by means of analatycal formulas. Numerical tools are developed to facilitate the obtaining of these circuits, starting either from the component description, or impedance measurments. To complete the representation of a transformer capacitances of any kind, developed in several steps by the team, is summarized and precautions applied to the original experimental impedance are described in detail. Further work to expand the scope of the LEEC, method are also presented.
Avec un encombrement minimal et rendement de 99% les transformateurs planars haute fréquence sont des solutions technologiques importantes pour les systèmes de conversion et de conditionnement de l'énergie électrique en électronique de puissance. L'objectif de l'étude consiste à rechercher un modèle du composant permettant à la fois de simuler son comportement dans un circuit d'électronique de puissance et d'optimiser ses performances lors de sa conception. Les modèles proposés prennent en compte les propriétés physiques et géométriques du composant. Les validations sont basées sur des confrontations avec les mesures. Une autre motivation forte de ce travail est que les modélisations numériques doivent prendre en compte simultanément les effets des courants induits et les capacités parasites, ce qui conduit, en haute fréquence, à des besoins prohibitifs en termes de capacité mémoire ou de temps de calcul. En se limitant aux transformateurs planar. La modélisation (dite LEEC) présentée ici s'appuie sur une discrétisation à échelle intermédiaire : spire par spire, c'est-à-dire couche par couche. Elle assemble deux approches analytiques déjà introduites par l'équipe : la première traite les aspects électrocinétiques (incluant les courants induits) et magnétiques et l'autre les aspects électrostatiques. Les circuits à constantes localisées basés sur la méthode LEEC montrent un très bon accord avec toutes les mesures jusqu'à 40 MHz. Des outils numériques sont aussi développés pour faciliter l'obtention de ces différents circuits en partant : soit de la description du composant, soit de mesures d'impédances. Pour compléter, la représentation des capacités d'un transformateur quelconque, développée en plusieurs étapes par l'équipe, est résumée et des précautions expérimentales originales appliquées à l'impédancemétrie sont exposées dans le détail. D'autres travaux visant à élargir le champ d'application de la méthode LEEC sont également présentés.