Air core transformer for bidirectionnal high power density high frequency DC-DC converter for automotive application

Face aux urgences climatiques et politiques, le véhicule électrique est en pleine expansion. Les besoins en termes de densité de puissance embarquée sont en constante augmentation, ce qui nécessite des évolutions conceptuelles en électronique de puissance pour dépasser les limites actuelles tout en assurant un rendement similaire.Cette thèse est focalisée sur la modélisation, l’optimisation et la réalisation d’un transformateur pour un fonctionnement à haute fréquence sans circuit magnétique. Ce transformateur a été intégré dans un convertisseur bidirectionnel pour valider le fonctionnement d’un chargeur de batterie de véhicule électrique à forte densité de puissance fonctionnant à la fréquence de 1,5MHz.Les travaux présentés contribuent à l’amélioration de la densité de puissance dans les chargeurs embarqués, en profitant notamment de l’essor des composants semi-conducteurs à grand gap qui élargissent les plages de fréquence et de puissance et autorisent ainsi la réalisation de convertisseurs plus compacts.Après nous être intéressés aux transformateurs à haute densité de puissance, nous mettons en évidence l’intérêt des transformateurs à air pour la forte densité de puissance. Une nouvelle géométrie de transformateur à air exploitant l’emplacement des spires pour minimiser le rayonnement magnétique tout en garantissant une certaine valeur d’inductance propre constitue ainsi la première rupture technologique de cette thèse. Une étude sur les conducteurs de haute fréquence a aussi été menée afin de déterminer le conducteur le plus adapté à notre application en prenant en compte les effets de peau et de proximité. Différentes solutions sont proposées même si le fil de Litz a finalement été sélectionné.Ensuite et grâce à l’optimisation de la géométrie via un programme de modélisation écrit avec python, plusieurs supports successifs de bobinage ont été réalisés en polycarbonate par une imprimante 3D. Tout cela a abouti à un prototype pour un fonctionnement à 7 kW. Après bobinage et caractérisation électrique, magnétique et thermique, les propriétés du transformateur ont été utilisées comme point de départ de l’élaboration d’une topologie de convertisseur DC-DC. L’objectif automobile imposait les tensions et les puissances ainsi que le caractère bidirectionnel. L’étude a convergé sur l’utilisation d’un convertisseur Dual Active Bridge. La valeur de la fréquence de commutation a été déterminée pour atteindre les différentes puissances nécessaires pour le convertisseur tout en conservant la commutation douce. Cet ordre de grandeur de fréquence de commutation pour ce niveau de transfert de puissance constitue la seconde rupture technologique de cette thèse.Après avoir déterminé les commandes et choisi les différents composants nécessaires à la réalisation du convertisseur, des bras d’onduleur déjà fonctionnels ont été adoptés afin de simplifier l’élaboration du convertisseur. Un circuit imprimé dédié a été réalisé dans le but de relier les bras d’onduleurs, les bus de tension d’entrée et de sortie, le transformateur et la carte de commande du convertisseur.Finalement, les résultats expérimentaux des tests sur le convertisseur sont en accord avec le cahier des charges avec un rendement de 96% pour une puissance de 9kW et une fréquence de commutation de 1,5MHz. La densité de puissance obtenue est de 8,5kW/L ce qui est supérieur à l’existant et constitue une troisième rupture technologique.Des travaux supplémentaires restent à effectuer afin de valider complètement le prototype dans une application finale. Cependant, il est tout à fait envisageable que les véhicules électriques de demain utilisent ce type de transformateur qui permet d’améliorer le rendement, l’évacuation de la chaleur, donc également la compacité.The electric vehicle is currently strongly expanding to face climate change. The power density requirements for onboard power are constantly growing and need evolution to go over the present electronic limitation without decreasing the efficiency.This thesis focuses on modeling, optimization and realization of a high-frequency coreless transformer integrated into a dedicated converter to validate a bidirectional on-board battery charger operating at 1.5MHz.The work contributes to the increase of the on-board charger power density by taking benefit of wideband gap semiconductors emergence which opens a new range of admitted switching frequency. It consequently offers an opportunity to increase the compacity of the converters.After a study on high power density transformers and coreless transformers, a highlight of the opportunity that an air-core transformer designed for power density is presented. The high-frequency electrical conductors have also been considered to determine the best one for our application by considering the skin and the proximity effects. The new transformer geometry is the result of an optimization program able to propose the best turns’ positions for minimizing the magnetic emission while ensuring a certain value of self-inductance. This geometry establishes the first technical breakthrough of this thesis.Several transformers’ trials were realized on 3D printed polycarbonate supports resulting in a 7kW prototype. An electrical, magnetic, and thermal characterization was done on the transformer after its winding process and validate the prediction. Those values were taken for the start point of a dedicated DC-DC topology. The automotive and bidirectional context led us to merge on the Dual Active Bridge converter. The switching frequency was determined to ensure the required power transfer with a soft-switching operation. This frequency value in automotive chargers establishes the second technical breakthrough of this thesis.After determining the command signals and choosing the required components for the realization of the converter, a ready-to-use inverter branch was chosen to simplify the complexity of construction. A dedicated printed circuit board was realized to link the inverter branch with the DC bus, the transformer, and the command board of the converter. Finally, experimental results on the converter respect the requirement specifications with an efficiency conversion of 96% for a power transfer of 9kW and a switching frequency of 1.5MHz. The final estimated power density is 8.5 kW/L which is higher than the existing power density in the industry.Some complementary works must be done to validate the prototype in a final application. It is however possible to observe this kind of transformer in an electrical vehicle in the future. The results were indeed in rupture and presents better volume, better thermal management, and better efficiency