Fils de litz HF dans les étages AC/DC et DC/DC

Les stations de recharge rapide modernes (HPC) sont basées sur des topologies complexes avec un redressement AC/DC et une conversion DC/DC isolée galvaniquement en aval. Pour réaliser les puissances de charge élevées requises dans un espace restreint, la gestion thermique des composants inductifs est le facteur limitant. PACK LitzWire a aidé un fabricant à concevoir un bobinage qui combine une densité de puissance extrême avec la rigidité diélectrique requise.

L'application

Le système global d'une station de recharge rapide DC se composait d'un étage d'entrée AC/DC (PFC) qui redresse le courant du réseau, et d'un étage DC/DC isolé galvaniquement qui adapte la tension au niveau de la batterie du véhicule. Les deux étages fonctionnaient à des fréquences de commutation élevées pour maintenir les composants magnétiques compacts. Les transformateurs et les inductances devaient acheminer des courants de plusieurs centaines d'ampères et dissiper efficacement la chaleur pour permettre des puissances de charge de 150 à 350 kW (ou 20 à 40 kW par module).

Le défi

Les exigences en matière de matériaux de bobinage étaient contradictoires dans ce scénario (compromis) :

• Minimisation des pertes : Les courants HF élevés et les effets de peau et de proximité prononcés aux fréquences de commutation utilisées entraînent des pertes AC et donc de la chaleur.
• Rigidité diélectrique : L'isolation galvanique dans le convertisseur DC/DC ainsi que les transitoires de réseau dans l'étage AC/DC nécessitent des couches d'isolation épaisses et de grandes distances de fuite.
• Densité de puissance : Pour maintenir les stations de recharge compactes, le facteur de remplissage en cuivre dans la fenêtre d'enroulement devait être maximisé, ce qui est souvent en conflit avec l'espace d'isolation requis.

Une solution standard conduirait soit à un emballement thermique, soit à une violation des exigences d'isolation des normes.

Soutien de PACK LitzWire

Pour résoudre cette interaction complexe, PACK LitzWire a misé sur une combinaison de conception assistée par simulation et d'expertise matérielle :

• Calcul des pertes AC : À l'aide de l'outil de calcul LiWiCalc® du Fraunhofer-Institut, la construction du fil de litz a été précisément adaptée au spectre de fréquences des étages AC/DC et DC/DC. La simulation a permis de déterminer le diamètre de fil individuel optimal qui minimise les pertes par courants de Foucault sans réduire inutilement le facteur de remplissage par une trop grande quantité d'émail.
• Concept d'isolation : Pour respecter la rigidité diélectrique requise, PACK LitzWire a recommandé l'utilisation de fils de litz HF RUPALIT® Safety. Ceux-ci disposent de systèmes d'isolation renforcés, par exemple un film de polyimide (Kapton) ou des couches de fluoropolymère multi-extrudées (par exemple ETFE), qui garantissent une rigidité diélectrique élevée directement sur le conducteur. Cela a permis de réduire les matériaux d'isolation passifs (rubans) entre les couches.
• Optimisation thermique : La géométrie optimisée du fil de litz a conduit à une distribution de courant plus homogène dans le paquet de conducteurs et donc à une charge thermique plus uniforme.

Résultat

Grâce à une étroite coordination technique, une conception de transformateur a pu être réalisée, ce qui a réduit considérablement les pertes globales. Le fil de litz HF optimisé a permis de respecter les distances d'isolation requises tout en maximisant la densité de puissance. Le client a ainsi pu mettre en série un module de recharge rapide qui reste thermiquement stable même à pleine charge et répond aux exigences de sécurité élevées pour l'infrastructure de recharge publique.