Méthodes de dimensionnement actuelles 

Méthodes de dimensionnement actuelles 

Dimensionnement standard d’une inductance

Il existe deux moyens de faire une inductance, c’est-à-dire avec ou sans noyau magnétique. Les inductances construites sans noyau magnétique sont de faible valeur. Nous nous intéresserons donc uniquement aux inductances à noyau magnétique. En électronique de puissance, nous travaillons généralement en haute fréquence (10 à 150 kHz). Les noyaux en poudre de ferrite seront favorisés. Ces poudres sont prévues pour travailler dans de telles conditions. De plus, elles ne nécessitent généralement pas d’entrefer, ce dernier étant distribué dans le noyau. Il existe plusieurs formes de noyau (E, U ou C, POT, Toroïdal,…).

Stratégie de dimensionnement

Il existe actuellement deux méthodes de dimensionnement : ces méthodes sont les suivantes :
Dimensionnement standard par rapport à la valeur de AL
Outils de dimensionnement proposés par les fabricants de noyaux magnétiques.
Ce travail de diplôme a pour but d’améliorer les techniques de dimensionnement des composants magnétiques, notamment en y apportant une couche physique, c’est-à-dire la capacité d’observer le comportement dynamique de tels composants avant même de les avoir fabriqués. La stratégie de dimensionnement imaginée combine plusieurs méthodes. La procédure est la suivante :
Dimensionnement standard.
Amélioration selon les directives du fabricant.
Génération des courbes caractéristiques.
Modélisation et simulation par « FEM » (Finit Element Methode).
Modification de la construction de l’inductance suivant l’analyse des simulations.

Les noyaux magnétiques en poudre de ferrite

Les méthodes de dimensionnement développées et présentées dans la suite de ce rapport sont essentiellement prévues pour des composants en poudre de ferrite. Il est difficile de trouver des informations et des courbes caractéristiques sur les matières magnétiques. Dans ce travail, beaucoup d’informations proviennent du fabricant « Magnetics » car il s’agit d’un des rares  fabricants qui met à disposition des équations et des courbes caractéristiques pour les différentes matières. De plus, l’école possède déjà en stock des noyaux magnétiques de ce fabricant.
Les noyaux en poudre de ferrite sont particulièrement intéressants car ils n’ont pas besoin d’un entrefer. En effet, ce dernier est noyé dans le circuit magnétique, dû à la construction par la technologie des poudres. Les poudres peuvent être assimilées à des nano-sphères mises l’une à côté de l’autre. Il existe donc un espace assimilable à de l’air entre chaque bille. La fonction de l’entrefer est donc remplie de cette manière. Ils existent plusieurs types de noyaux en poudre de ferrite. Chaque noyau présente des avantages et des inconvénients.

Effet pelliculaire

Des simulations ont été entreprises dans ce domaine. Pour pouvoir observer l’effet pelliculaire, il faut dessiner chaque spire de l’inductance dans la modélisation 3D ou 2D. Le programme n’est pas capable d’effectuer le calcul de l’effet pelliculaire sur un enroulement plein comme utilisé au chapitre précédant pour l’inductance. La modélisation devient fastidieuse.
Il s’agit de la même inductance qu’au chapitre précédant. La construction 3D a pris un certain temps. La simulation a été effectuée en régime transitoire. Un sinus de 50 V crête 20kHz est appliqué sur l’inductance connectée en série à une résistance de 0.1 Ω (résistance parasite).
Le paramètre « Eddy Effect » doit être validé afin que la simulation détermine l’effet pelliculaire et de proximité dans les conducteurs. La répartition du champ dans le noyau. A 25 µs, le sinus du courant se trouve à sa valeur maximum. Il est déphasé par rapport à la tension.

FABRICATIONS DES COMPOSANTS MAGNÉTIQUES

Les composants magnétiques seront bobinés manuellement à la HES-SO. La fabrication de ces éléments nécessite du temps. Pour cette raison, seule l’inductance et le transformateur dimensionné selon les méthodes de dimensionnement avancées seront fabriqués.
La fabrication de l’inductance n’est pas compliquée. Il faut veiller à bien plaquer le câble contre le noyau afin d’avoir un bon couplage. La construction du transformateur est déjà plus spécifique. Il faut non-seulement bobiner les deux enroulements, mais il faut également  effectuer une isolation entre le noyau et les enroulements ainsi qu’entre le primaire et le secondaire. Les tensions en jeu sont non négligeables (400 V primaire et 200 V secondaire). Il y a une différence de potentiel de 200V.Etant donné que le primaire et le secondaire ne sont pas référencés à la même masse, selon le principe de l’isolation galvanique, la différence de potentiel peut encore augmenter. Par exemple, si le réseau électrique branché au primaire fluctue, il peut générer d’importantes différences de potentiel. L’isolation des câbles supportent 1000V. Afin d’éviter tout claquage en cas de défauts de la couche d’isolation des câbles, trois couches d’isolation de 1000 V sont rajoutées sur le noyau et entre le primaire et le secondaire.

Table des matières

1 Introduction 
2 Planification
3 Méthodes de dimensionnement actuelles 
3.1 Généralités sur le magnétisme
3.2 Effet pelliculaire
3.3 Dimensionnement standard d’une inductance
3.4 Dimensionnement standard d’un transformateur
3.5 Outils clé en main
4 Méthodes de dimensionnement avancées 
4.1 Stratégie de dimensionnement
4.2 Les noyaux magnétiques en poudre de ferrite
4.3 Choix des logiciels
4.4 Cas d’étude : Modélisation d’une inductance par éléments finis
4.4.1 Pré-dimensionnement
4.4.2 Simulation FEM
4.4.3 Analyse des résultats
4.5 Co-simulation
4.6 Effet pelliculaire
4.7 Cas d’étude : Modélisation d’un transformateur par éléments finis
4.7.1 Pré-dimensionnement
4.7.2 Simulation FEM
4.7.3 Analyse des résultats
4.8 Script MATLAB de pré-dimensionnement
4.8.1 Paramètres & Résultats pour une inductance
4.8.2 Paramètres & résultats pour un transformateur
5 Dispositif d’évaluation 
5.1 Topologie
5.2 Dimensionnement
5.3 Simulation au point de fonctionnement maximum
5.4 Dimensionnements des composants magnétiques
5.4.1 Inductance de sortie
5.4.2 Transformateur
6 Fabrications des composants magnétiques 
7 Test & Mesures 
7.1 Inductance
7.2 Transformateur
7.3 Tests du convertisseur
7.3.1 Mise en service
7.3.2 Test convertisseur à tension nominale
7.4 Caractérisation des inductances en charges
8 Analyse & discussion des résultats 
9 Conclusion 

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