Cross-régulation/déviations de tensions dans le flyback multi-sorties : influence du transformateur, analyse, recherche de solutions.

Cross-regulation/voltage deviations in multi-output flybacks : transformer influence, analysis, solution search.

• Auteur / Autrice : Denis Motte-Michellon
• Direction : Yves Lembeye, Brahim Ramdane
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance le 11/07/2023
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : G2Elab-Modèles, Méthodes et Méthodologies Appliqués au Génie Electrique (G2Elab-MAGE)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de génie électrique (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Edith Clavel
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Denis Schwander, Xavier Margueron
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Eric Labouré, Christian Martin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Transformateurs électriques

Convertisseurs continu-continu

Électronique de puissance

Convertisseurs électriques

Mots clés libres

Multi-Sorties

Flyback

Transformateur

Cross-Régulation

Déviations de tension de sortie

Electronique de puissance

Multi-Output

Flyback

Transformer

Cross-Regulation

Output voltages deviations

Power electronics

Résumé

Les convertisseurs de puissance de type flyback sont aujourd’hui largement utilisés pour alimenter en courant continu des charges de puissance limitée, en général moins de 150W. Ce type de convertisseur est apprécié pour son faible nombre de composants qui le rend bon marché et fiable, ainsi que pour son mode de pilotage simple. Dans le domaine spatial en particulier, des versions à une entrée et plusieurs sorties de ce type de convertisseur sont très souvent mises en œuvre pour alimenter plusieurs charges, souvent à des niveaux de tension et de puissance différents, à partir d’une seule source. Pour réaliser un flyback multi-sorties, le convertisseur est construit autour d’un transformateur ayant plusieurs enroulements secondaires. Dans le cas multi-sorties, l’énergie injectée depuis l’enroulement primaire est donc partagée entre les différents enroulements secondaires. Le composant magnétique joue donc le rôle de répartiteur d’énergie entre l’entrée et les sorties du convertisseur.Cependant, les flyback multi-sorties souffrent d’un défaut qui, bien que connu depuis longtemps, a été peu étudié et restait mal expliqué : les déviations des tensions des sorties en régime permanent, plus connu sous le nom de défaut de régulation croisée (« cross-regulation » dans la littérature scientifique internationale). Ce phénomène se traduit, lors du fonctionnement du convertisseur, par des tensions de certaines sorties prenant des valeurs plus petites ou plus grandes que leurs valeurs nominales, avec des amplitudes parfois importantes (jusqu’à +90% sur une sortie constatée sur une application client). Ce défaut peut survenir même lorsque le composant magnétique et les autres composants du convertisseur sont conçus et dimensionnés dans les règles de l’art. Afin de limiter les effets des déviations de tensions, les fabricants de convertisseur sont forcés de rajouter des équipements supplémentaires dans le flyback multi-sorties, ce qui rajoute du poids, renchérit le coût total et diminue le rendement du convertisseur et sa fiabilité. Ces équipements ne sont que partiellement efficaces car l’amplitude de la cross régulation dépend aussi du point de fonctionnement du convertisseur.En tant que répartiteur d’énergie, le composant magnétique a une influence importante sur le phénomène. Partant de cette hypothèse, cette thèse, financée par la société Exxelia, concepteur et fabricant de composants magnétiques, avait pour objectifs 1/ de comprendre quelle est l’influence du transformateur sur les tensions des sorties et 2/ de proposer des solutions pour le concevoir de manière à réduire les déviations des tensions des sorties.Grâce à des modèles magnétostatiques du transformateur, les flux d’énergie entre les différents enroulements ont été modélisés. Cela a permis de mettre en évidence le rôle des couplages magnétiques dans la répartition de l’énergie entre les différentes sorties. Des règles d’optimisation des couplages magnétiques entre tous les enroulements en fonction des puissances portées par les sorties ont été formulées. Elles permettent de répartir au mieux l’énergie entre les sorties et de réduire les déviations de tension. Afin de répartir au mieux l’énergie, les secondaires doivent être couplés avec le primaire au prorata de la puissance portée par leur sortie.Ces recommandations ont été validées par des simulations du composant magnétique par la méthode des éléments finis et des simulations circuit du convertisseur. Un dispositif expérimental a également permis de confirmer les conclusions tirées des résultats de simulation.Afin d’identifier une disposition optimale des enroulements pour un convertisseur et un transformateur associé donnés, deux méthodes de calculs ont été testées et validées, l’une pour calculer la matrice inductance du transformateur, et l’autre pour calculer les tensions des sorties du convertisseur à partir de la matrice inductance et des caractéristiques principales des autres composants.

Flyback converters are widely used to power DC loads with limited powers consumption – not exceeding 150W in general. This type of converter is appreciated for its low component count, which makes it cheap and reliable, and for its simple control mode as well. Especially for space-bound applications, single-input several-output flybacks are very often implemented to power several loads from a single source. Loads can have, in the general case, a wide range of voltage and power levels. In multi-output flybacks, the converter is built around a transformer with several secondary windings. In this case, the energy injected through the primary winding is shared between all the secondary windings. Thus, the magnetic component works as an energy dispatcher between the input and the outputs of the converter.Multi-output flybacks, however, suffer from a defect that, yet known for a long time, remained little studied and poorly explained: steady-state output voltage deviation, mostly known as “cross-regulation defect”. This phenomenon occurs during converter operation and results in output voltages being higher or lower than their nominal values, with sometimes-wide magnitudes (up to +90% on one of the outputs in the converter of a customer). These deviations can occur even though the magnetic component and the converter are state-of-the-art designed. In order to restrict the effects of voltage deviations, converter manufacturers are forced to add extra equipment in the multi-output flyback, thus adding weight and cost and decreasing both efficiency and reliability.Being the energy dispatcher of the converter, the transformer has a strong influence on the phenomenon. This thesis project, initiated by Exxelia, a magnetic component manufacturer, had two objectives: understand how the transformer affects the output voltages, and propose solutions to design it in such a way as to reduce the output voltages deviations.Energy fluxes between windings were analysed thanks to magneto-static models of the magnetic component, which allowed highlighting the influence of magnetic couplings on energy dispatching between all the outputs. Optimisation guidelines of the magnetic couplings as a function of the nominal power consumption of all the loads were created, allowing to improve the energy dispatching and to reduce voltage deviations. In order to dispatch energy correctly, secondary windings must be coupled with the primary in proportion to the power carried by their output.These rules were validated by finite elements method simulations of the magnetic component and circuit simulations of the converter. An experimental apparatus also allowed confirming the conclusions drawn from the simulation results.In order to identify an optimal windings layout for a transformer in a given converter, two mathematical methods were tested and validated, one to characterize the inductance matrix of the transformer and the other to compute output voltages from the inductance matrix and the main characteristics of the other components.