Fiche individuelle

With the integration of power electronic converters and components, an accurate thermal design becomes essential. Hence, precise thermal models for components are needed for their optimal design. This paper focuses on the development of an analytical model for the design of thermal resistance of planar magnetic cores (PMC). Based on computational fluid dynamic (CFD) simulations, the PMC design thermal resistance variation is studied, according to ambient temperature and level of losses. Then, a polynomial equation is developed to model those variations, and coefficients are deduced for all the sizes of PMC. This analytical model, useful for designers, is finally validated with thermal measurements on a planar transformer prototype.

High-frequency and high-power density converters are essential for many applications such as automotive and more electric aircraft. To improve power density, planar magnetic components are increasingly used in power electronic converters owing to their advantages, such as less high-frequency losses, repeatability, and better thermal performance compared to conventional wound components. Considerable attention has been paid to their electrical performance. However, the thermal aspects are essential for enhancing completely their performance. Currently, there is an increasing interest in these critical aspects of high-density power converters. This paper presents a literature review of studies on the thermal modeling of planar magnetics. The papers were organized according to the model type and analyzed to highlight their merits and limitations. A multicriteria comparison of the studied papers was performed. Moreover, the key points and issues related to the thermal modeling are addressed to guide designers in enhancing the thermal aspects of planar magnetic components.

Networked microgrids is a cluster of local grids that can be connected through a weak network and can provide ancillary services. On a system point of view, it is desirable that every microgrid exhibits a behaviour at the Point of Common Coupling (PCC) which enables to share active and reactive powers with other grids. This paper proposes a Model Predictive Supervisor that encompasses internal objectives and enforces a virtual droop control at the PCC. The supervisor uses a prediction module based on a model of the microgrid and an outer loop which supplies the PCC powers with respect to the aggregated capability diagram at the PCC. For a weak network, this diagram depends on the PCC voltage that varies with time, generating a set of time varying non-linear constraints. The supervisor generates the references to control the local distributed generators which are inside the microgrid. Through the three steps developed in this paper, the need for model based control is highlighted and a Model Predictive based Controller proposed and validated from simulations.

Conceiving planar magnetic components for power electronic converters is very constraining, especially in the case of prototype development. Indeed, such making requires skills, specific appliances as well as human time for setting up the machine tools and the fabrication process. With the emergence of Fabrication Laboratory (FabLab), conceiving of planar copper foil prototypes becomes more feasible in a shortened time process for engineers and researchers. This paper presents a methodology and process for conceiving power planar transformers with the help of machines and tools that can be found in the usual FabLab.

The paper deals with electro-thermal modeling lithium-ion batteries. The model computes losses distrubution distribution to allow an accurate temperature distribution. The electrical model is updated through the mean temperature of the battery to insure an accurate estimation of losses at any temperature. The obtained results show that the proposed model is able to simulate the dynamic interaction between the electric and the thermal battery behavior, and high performance for the cell surface temperature prediction.

Thermal performance of power converters is a key issue for the power integration. Temperatures inside active and passive devices can be determined using thermal models. Modelling the temperature distribution of high frequency magnetic components is quite complex due to diversity of their geometries and used materials. This paper presents a thermal modelling method based on lumped elements thermal network model, applied to planar magnetic components made of EE and E/PLT cores. The 3D model is automatically generated from the component’s geometry. The computation enables to obtain 3D temperature distribution inside windings and core of planar transformers or inductors, in steady state or in transient case. The paper details the proposed modelling method as well as the automated tool including the problem definition and the solving process. The obtained temperature distributions are compared with Finite Element simulation results and measurements on different planar transformers.

The More Electric Aircraft (MEA) has motivated aircraft manufacturers since few decades. Indeed, their investigations lead to the increase of electric power in airplanes. The challenge is to decrease the weight of embedded systems and therefore the fuel consumption. This is possible thanks to new efficient power electronic converters made of new components. As magnetic components represent a great proportion of their weight, planar components are an interesting solution to increase the power density of some switching mode power supplies. This paper presents the benefits and drawbacks of high frequency planar transformers in DC/DC converter, different models developed for their design and different issues in MEA context related to planar’s specific geometry and technology.

Planar transformers are becoming a popular solution for high frequency and high-power density isolated DC-DC converters. However, their design is a complex task that usually needs several iterations. Area product-based design is one of the most used iterative methodologies for planar transformers design. In this paper, a modified area product-based design is proposed for planar transformer design (PT-MAP). It directly includes the temperature rise in the area product expression to accelerate the design process by reducing the number of iterations compared to the conventional area product (CAP). PT-MAP based design is applied to a 250W 150kHz planar transformer case study and compared to the CAP, then validated by electrothermal numerical modeling and measurements on a prototype.

The leakage inductance of high-frequency (HF) transformer is a key parameter to help improve the power density of isolated DC/DC converters. Minimized, it can reduce the losses, but maximized or precisely tuned, the leakage inductance can intervene in the converter operation, avoiding supplementary HF inductor. This is the case for soft-switching converters or specific topologies like dual active bridge for example. The present work aims to adjust the value of a planar transformer (PT) leakage inductance, acting on the positioning of the conductors within the PT winding window. The methodology developed here is based on finite element analysis (FEA) simulation as well as single and multi-objective optimizations to adjust the value of the leakage inductance while minimizing the AC resistance. The optimization is carried out for different interleavings, questioning the usual choices of interleavings known to minimize or maximize the leakage inductance.

High-Frequency (HF) transformer is a central part of isolated HF power converters. Its parameters, in particular leakage inductance and losses, have a significant impact on the overall converter performances. With the increase of switching frequencies linked to the use of SiC and GaN based active devices, the control of the HF transformer parameters becomes essential. A HF transformer is usually designed without considering its surrounding. However, the latter can have a significant impact on the transformer's performance. In this paper, the effect of an aluminum casing surrounding the transformer is studied and quantified for two parameters: The transformer leakage inductance and the supplementary losses. The goal is to consider the casing effect in the early design stage of power converters.

In this paper, the development of a high bandwidth power amplifier for power hardware-in-the-loop system is proposed. This amplifier consists of a multilevel interleaved converter, controlled by a real time model of a studied system that is implemented in a field programmable gate array. The accuracy of the proposed topology is illustrated with the design of a test bench for PV inverter testing. This topology is able to emulate both sides (AC and DC) of PV inverter. With this scheme it is possible to analyze the behavior of the complete photovoltaic system under special conditions like partial shading and disturbed grid voltage. The simulation and experimental results verify that the proposed topology exhibits good performance compared with classical topology.

This paper presents a methodology to evaluate and analyze the volumetric power density of planar magnetics used in power electronics converters. The power density is computed for various EE and E/PLT cores considering optimal configurations for the planar transformers’ design and for its cooling heatsink. The analysis is performed for three cooling configurations: natural convection without heatsink, single sided cooled component with one heatsink, and double sided cooled with two heatsinks. This study can be very useful for designers to evaluate their design specifications and to adapt their technological choices to achieve the desired planar magnetics’ characteristics.

In this paper, the thermal resistance of planar magnetic components in natural convection is studied in order to obtain analytical formula taking into account effects of ambient temperature as well as power dissipated inside the component. The analytical model is deduced from Computational Fluid Dynamic simulations and is validated with measurements on prototypes.

Planar technology is an interesting solution for high frequency (HF) magnetic components in power electronic converters. Over the past few decades, the trend is increasingly towards these integrated magnetic components with high power density, especially for embedded systems, automotive and avionics devices. In order to design optimized planar inductances or transformers any aspect of the component’s geometry is important. This paper is focused on one of these aspects: the track shape of copper conductors made of Printed Circuit Board (PCB). Three designs of conventional tracks are simulated by 3D Finite Element Analysis (FEA) to calculate the dynamic (AC) resistances and their resistive factor. Different combinations of these elementary tracks are tested and the influence of the turn shape is highlighted.

L’inductance de fuite est un paramètre essentiel des transformateurs HF dans les convertisseurs DC/DC isolés. Avec l’utilisation de la technologie planar et des enroulements en PCB, ce paramètre peut être réglé à une valeur prédéterminée en ajustant le positionnement des conducteurs dans la fenêtre des transformateurs. Cet article présente une étude autour de la minimisation, de la maximisation et du réglage de l’inductance de fuite d’un transformateur planar. La méthodologie développée est basée sur des simulations par éléments finis (FEM) couplées avec un algorithme d’optimisation multi-objectifs qui permettent de régler une inductance à une valeur donnée, tout en minimisant les pertes cuivre induites.

Cet article étudie des solutions permettant de remplacer les entrefers dans des inductances planar à base de noyaux E/PLT. En effet, ces entrefers, indispensables pour ajuster la perméabilité globale, engendrent des pertes supplémentaires dans les enroulements PCB. Différentes configurations basées sur l’utilisation des matériaux magnétiques à faible μ sont étudiées par simulations éléments finis 2D et comparées en termes de pertes cuivre HF et de valeur de l’inductance. Une amélioration significative des pertes cuivre HF est démontrée avec une réduction de 7 fois la résistance AC par rapport à la configuration avec entrefer.

La méthode du produit des aires est très répandue pour le dimensionnement des composants magnétiques en électronique de puissance, grâce notamment à sa simplicité de mise en œuvre. Néanmoins, l’utilisation de cette méthode nécessite des itérations pour affiner le choix du noyau et la définition des bobinages afin de respecter les contraintes thermiques des composants. Dans cet article, la méthode du produit des aires est étendue pour pouvoir y incorporer la prise en compte des effets haute fréquence et les contraintes thermiques liées aux composants magnétiques planar. L’expression finale obtenue permet un dimensionnement plus efficace et plus rapide des composants planar en évitant les itérations liées aux contraintes thermiques. La différence entre les deux approches est illustrée au travers d’un exemple de dimensionnement de transformateur planar (100 kHz / 2 kW).

La conception rapide de prototypes de laboratoire est intéressante pour permettre la validation, à moindre frais, de dimensionnements spécifiques de transformateurs planar. Avec l’apparition des Fabrication Laboratory (FabLab), il devient possible, en utilisant les outils et machines disponibles dans ces derniers, de réaliser de manière assez simple, rapide et peu coûteuse, des prototypes de transformateur planar en technologie feuillard. Cet article présente donc une méthodologie permettant de concevoir ce type de composant, pour des puissances de quelques kilowatts, en utilisant le matériel usuel des FabLab.

Cet article présente une méthodologie permettant l’analyse des densités de puissance volumique qui peuvent être obtenues via l’utilisation de composants magnétiques planar au sein des convertisseurs d’électronique de puissance. En se basant sur une configuration optimale pour le transformateur, les densités de puissance volumique maximales atteignables pour différents noyaux magnétiques EE et E/PLT sont étudiées pour trois types de refroidissement : sans refroidisseur, refroidissement simple face et refroidissement double face. Ce type d’analyse peut être utile à un concepteur, lors d’une phase de dimensionnement, en le guidant vers des choix technologiques adaptés.

Les composants magnétiques planar sont de plus en plus présents dans les convertisseurs de puissance en remplacement des composants bobinés classiques. L’aspect thermique de ces composants est essentiel pour un fonctionnement correct des structures de puissances. Dans cet article, un modèle thermique de transformateurs planar, basé sur un réseau nodal de résistances thermiques (RRT), est développé. Ce réseau est appelé structurel car toutes les résistances thermiques sont directement en lien avec la géométrie du composant. Les résultats de ce modèle seront comparés à des résultats issus de simulations par éléments finis ainsi qu’à des mesures expérimentales sur un prototype.

La technologie planar est une solution intéressante pour les composants magnétiques haute fréquence (HF) dans les alimentations à découpage. La miniaturisation des composants de puissance liée à leur montée en fréquence a permis le développement, depuis quelques décennies, des composants magnétiques planar, notamment dans les systèmes embarqués à forte densité de puissance. Dans l’optique d’optimiser les inductances et transformateurs planar, chaque aspect de leur géométrie est à prendre en considération. Cet article mettra l’accent sur l’un de ces aspects : la forme des angles des pistes de circuit imprimé (PCB). Trois formes standards de pistes avec différents angles seront simulées par éléments finis 3D pour évaluer leurs résistances dynamiques (AC) et leurs facteurs résistifs. Différentes combinaisons de ces formes élémentaires seront ainsi testées et comparées, et l’influence des angles des pistes sera soulignée.

Les composants magnétiques planar sont de plus en plus présents dans les convertisseurs de puissance en remplacement des composants bobinés classiques. L’aspect thermique de ces composants est essentiel pour un fonctionnement correct des structures de puissances. Dans cet article, un modèle thermique de transformateurs planar, basé sur un réseau nodal de résistances thermiques (RRT), est développé. Ce réseau est appelé structurel car toutes les résistances thermiques sont directement en lien avec la géométrie du composant. Les résultats de ce modèle sont comparés à des résultats issus de simulations par éléments finis ainsi qu’à des mesures expérimentales sur un prototype.

this research aims to provide suitable thermal models for planar magnetics components (PMC). First, high frequency losses (copper and core losses) issues are detailed, which are heat sources in PMC. Then, a state of the art of magnetic component thermal modeling is presented. To meet various needs of designers, two types of thermal models have been developed. A first analytical model, based on thermal resistance that enables to estimate temperature rise in the early design stage, is proposed. Its distinguishing feature is to take into account ambient temperature and loss values, in order to achieve an optimal design of PMC according to operating conditions. To compute 3D temperature distribution inside the component, and detect potential hotspots, a second model based on nodal thermal network (NTN) has been developed. It deals with permanent and transient cases, with different types of boundary conditions. The two models have been validated with numerical simulations and measurements on planar transformers laboratory prototypes. les travaux présentés ont pour objet de développer des modèles thermiques adaptés aux composants magnétiques planar (CMP). Après avoir détaillé la problématique des pertes en hautes fréquences (cuivre et fer), source d’échauffement dans les CMP, un état de l’art des différentes approches utilisées pour la modélisation thermique des composants magnétiques est présenté. Ensuite, pour répondre aux besoins des concepteurs, deux types de modèles thermiques sont proposés. Le premier, de type analytique, basé sur résistance thermique équivalente, permet d’évaluer l’échauffement d’un composant lors de la phase de pré-dimensionnement. Ce modèle a la particularité de tenir compte de la température ambiante et des pertes pour assurer un meilleur dimensionnement des CMP selon les conditions de fonctionnement. Pour déterminer la distribution 3D de température au sein du composant et détecter d’éventuels points chauds, un second modèle de type réseau thermique nodal (RTN) a été développé. Ce modèle est généré automatiquement à partir de la description géométrique du composant. Il permet, de plus, d’étudier les régimes permanent et transitoire, tout en s’adaptant aux différents types de conditions aux limites. Ces deux modèles sont validés par simulations numériques et par des mesures sur des prototypes de transformateurs planar conçus en laboratoire.