étude et conception d'une nouvelle alimentation à découpage à

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Submitted on 16 Apr 2008 (v1), last revised 21 Apr 2008 (v2)

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TUDE ET CONCEPTION DUNE NOUVELLEALIMENTATION DCOUPAGE TRANSFERT

DNERGIE MIXTE BASE SUR UN COMPOSANTPASSIF LCT INTGR

Benjamin Vallet

To cite this version:Benjamin Vallet. TUDE ET CONCEPTION DUNE NOUVELLE ALIMENTATION D-COUPAGE TRANSFERT DNERGIE MIXTE BASE SUR UN COMPOSANT PASSIF LCTINTGR. Sciences de lingnieur [physics]. Universit Joseph-Fourier - Grenoble I, 2007. Franais.

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Universit Joseph Fourier

N attribu par la bibliothque /__/__/__/__/__/__/__/__/__/__/

THSE

Pour obtenir le grade de

DOCTEUR DE LUNIVERSIT JOSPEPH FOURIER

Spcialit : Gnie lectrique

Prpare au Laboratoire de Gnie lectrique de Grenoble UMR 5269

Dans le cadre de lEcole Doctorale Electronique, Electrotechnique, Automatique, Tlcommunication, Signal

Benjamin VALLET

tude et conception d'une nouvelle alimentation dcoupage transfert d'nergie mixte base sur un

composant passif LCT intgr

Directeur de thse : Jean-Paul FERRIEUX Co-encadrant : Yves LEMBEYE

JURY

MME. CORINNE ALONSO Rapporteur M. GRARD ROJAT Rapporteur M. RICHARD LEBOURGEOIS Examinateur M. JEAN-PIERRE KERADEC Examinateur M. JEAN-PAUL FERRIEUX Directeur de thse M. YVES LEMBEYE Co-directeur de thse

Remerciements

tude et conception d'une nouvelle alimentation dcoupage transfert d'nergie mixte base sur un composant passif LCT intgr 3

Remerciements

Remerciements


Remerciements


Le Prambule Voici venu le temps des remerciements quatre mois sont dj passs depuis la soutenance,

que le temps passe vite Mais cest le temps qui ma fallut pour rflchir ce dernier chapitre du

mmoire, qui paradoxalement se trouve en tte du rapport (cest galement le temps qui ma fallut

pour trouver la motivation de finaliser le travail). Ne vous attendez pas des loges formels,

personnellement je ne suis pas fan et jai voulu mappliquer rendre ces remerciements plus

rflecteurs de la personne que je suis, une sorte de " coming out " sur ma personnalit pour les gens

qui ne la connatraient pas encore.

Il est coutume quun mmoire dmarre par des remerciements, ce qui me parat bien normal

puisque le travail dune thse (pour ce cas prcis) englobe forcment plusieurs acteurs que cela

soit sur un plan scientifique ou non avec diffrents types de relations allant du strict professionnel

la relation purement humaine. Quoi quil en soit toutes les personnes ctoyes durant ces trois

annes sont responsables du rsultat du travail plus ou moins grandes chelles, que cela soit des

responsables, des collgues professionnels, des amis ou de la famille.

Certains diront que ces remerciements sont une formalit. Chacun son opinion, mais me

concernant je nai pas la prtention davoir russi ce travail sans laide de quiconque, donc sachez

dors et dj que " la prose " qui va suivre est purement sincre et vient du fond du cur.

La Citation Avant de mattacher remercier les diffrentes personnes que je considre lies ces 3 annes

de travail, je me suis amus faire une petite parenthse personnelle. Traditionnellement il est de

bon augure de retrouver galement une ou plusieurs citations de prfrence littraires. Quand

vous en tes votre premire rdaction de mmoire, vous vous basez sur les rapports que vous

avez pus feuilleter en sattachant prendre exemple sur nos pairs finalement. Personnellement je

me suis pos la question de lintrt dune citation littraire surtout pour un travail scientifique et

technique En fin de compte jai trouv deux ventuelles rponses : soit le rdacteur en

question a une bonne culture et veut le mettre en avant dans son travail, soit il le fait car

justement cest dans les murs de la rdaction de mmoire En ce qui me concerne je ne me

suis retrouv dans aucun de ces deux cas vu que je suis loin dtre quelquun de cultiv et que je

ne suis pas partisan de faire quelque chose simplement pour le fait que cest de bon augure.

Nanmoins jai voulu le faire ma faon et si on regarde bien cest un mlange des deux

Remerciements


convictions cites prcdemment. Je mets en avant finalement une partie de moi-mme savoir

ma culture (ou plutt mon humour dfaut davoir de la culture) et du mme coup je viens

satisfaire les puristes puisque mon mmoire comprend une citation. Mais Messieurs les instruits

puristes (envers lesquels jai le plus profond respect) ne vous attendez pas trouver cette citation

dans quelconque bouquin puisque celle-ci est indite ! Alors aprs rflexion voici le rsultat suivi

de quelques explications ( ma faon) :

Il tait une fois lhistoire dun petit L, dun petit C et dun petit T qui vivait dans le mme monde

appel : lectronique de puissance

Le petit L et le petit T tant de mme nature dcidrent de se mettre en collocation

Le petit C de nature diffrente a nanmoins entrepris de sabriter sous le mme toit.

Cette originale collocation a t nomme LCT !

AuteurAuteurAuteurAuteur : moi: moi: moi: moi !!!!

Vous connaissez lhistoire des 3 petits cochons ? Et bien en ralit entre vous et moi le LCT sest

en quelque sorte pareil. Le petit L, le petit C et le petit T sont plus robustes en tant ensemble

sous le mme toit ! Si on se souvient bien les trois petits cochons ils finissent en collocation dans

la belle et solide maison de brique! Et en mettant cette histoire au got du jour, on sait que si les

gens sentendent bien et sont sociables la collocation a de nombreux avantages. Parlons des

dpenses de chacun qui sont mises en commun (par exemple les courses les factures lectricit,

tlphone Internet) et bien pour le LCT cest pareil, par mtaphore (dsol " mtaphore " cest

un mot peu un trop cultiv pour ces remerciements) les dpenses sont ses performances, la

collocation vient amliorer celles-ci (vous voyez cest simple comprendre le LCT!).

Trve de plaisanterie passons aux choses srieuses !

Le Contenu Ne cherchez pas dordre de prfrence ou du degr du niveau de remerciement selon le

droulement chronologique de ces loges, car il ny en a pas. La philosophie de lexercice est telle

que tout soit mis au mme niveau, et chacun appartient de juger lintensit des propos. Ceux qui

me connaissent vont naturellement comprendre mes penses retranscrites qui leurs sont

directement adresses, et pour ceux qui me connaissent moins et bien vous allez apprendre me

connatre !

Finance par une Allocation de Recherche du Ministre de lducation Nationale, de la

Remerciements


Recherche et de la Technologie (MENRT), cette thse sest droule au sein du Laboratoire

dElectrotechnique de Grenoble (LEG) qui mi-chemin a chang dintitul par le biais dune

fusion avec dautres entits de recherche grenobloises pour devenir le Laboratoire de Gnie

Electrique de Grenoble (G2ELab : le 2 pour les deux G) ou pour nos amis et confrres anglo-

saxons le Grenoble Electrical Engineering Laboratory (le 2 pour les deux E). Cette prsentation

du laboratoire mamne remercier les directeurs du moment pour mavoir accueilli dans leur

tablissement, commencer par Monsieur Yves BRUNET la tte du LEG mon arrive, ainsi

que lquipe de direction du G2ELab actuelle Olivier LESAINT, Yves MARECHAL et James

ROUDET qui au passage y est pour quelque chose si je me trouve ici aujourdhui.

Je tiens en premier lieu remercier les membres du jury commencer par Mme Corinne

ALONSO du LAAS Toulouse et M Grard ROJAT du laboratoire AMPERE Lyon qui mont

fait lhonneur daccepter de rapporter mon travail. Dans des conditions de dlais restreintes vous

mavez apport dexcellentes remarques que cela soit dans votre rapport comme dans vos

interventions constructives le jour de la soutenance, preuve de votre intrt pour mes travaux. Je

remercie galement M Richard LEBOURGEOIS de THALES davoir accept de prendre part

ce jury en tant quexaminateur en venant assister ma soutenance au cours de laquelle, de par ses

remarques pertinentes, il a montr tout lintrt quil a pu porter mon travail. a ctait les

membres externes du jury, venons-en aux personnes internes au laboratoire G2ELab. M Jean

Pierre KERADEC, spcialiste transfo, spcialiste magntisme, spcialiste physique, spcialiste

mesures vous savez tous les trucs que pas beaucoup de gens apprcient parce que cela fait trop

rflchir et cela demande une facult certaine pour pouvoir les manipuler ; et bien Jean Pierre,

bien connu sous le nom de KK, cest pour lui un rel plaisir et ce qui est droutant cest que

cela parat si simple pour lui Mais Kk ce nest pas que de la science cest aussi quelquun de

bon vivant proche des doctorants souvent prsent pour une pause caf au cours desquelles il a

toujours une anecdote raconter. Bref en dehors de son effroyable facilit scientifique et du

mme coup de la terreur que jai pu avoir en imaginant quil me poserait des questions la

soutenance, je nai pas hsit une seconde quand on ma propos davoir Monsieur Kk en

examinateur et comme prsident du jury. Il y a des personnes comme a que lon ne peut

quapprcier parce quelles sont simples naturelles et je pense quil ny a rien dautre ajouter si ce

nest que je te remercie pour la personne que tu es et pour avoir bien videmment accept de

faire partie de ce jury (et je te remercie galement de ne pas avoir trop pos de questions). En

parlant de personne que lon peut que apprcier jen ai deux autres ajouter au tableau (et pas des

moindres) : M Yves LEMBEYE et M Jean Paul FERRIEUX mes encadrants. L aussi il y aurait

Remerciements


un roman crire quant leurs qualits respectives. Jean Paul est une personne qui force

naturellement le respect de part ce quil dgage. Cest pour ce point prcis que jai mis un peu de

temps avant de pouvoir le tutoyer, au dbut je tournais toujours mes phrases de faon ne pas

avoir dire vous. Cest en partie grce lui si jai accroch avec llectronique de puissance car

cest lui qui me la enseign lIUT il y a de cela presque dix ans maintenant. Sa faon de

travailler, son sens de lorganisation et son souci de clart (vous devriez voir ses brouillons, ils

sont dignes dtre dans un manuscrit !) sont remarquables, cest un exemple pour tous. Jai eu

loccasion de le ctoyer comme professeur, encadrant de stage, encadrant de thse, directeur

adjoint du laboratoire ou encore chef de lquipe lectronique de puissance, et dans chacune de

ses fonctions il dgage autant de matrise et de souci de bien faire, et il le fait trs bien ! Je me

rpte un exemple suivre pour tous de ce cot l. Un seul regret pour moi cest de ne pas avoir

pris le temps ou os (je pense que nous sommes deux natures de rservs) le connatre

davantage sur un plan hors labo, mais sans avoir test sa discrtion et sa simplicit parlent delles-

mmes et je sais que humainement la personne est une nouvelle fois de plus remarquable. Au

sujet dYves l aussi cest une rencontre enrichissante. Il a toujours rpondu prsent mme quand

il ntait pas forcment disponible, et ce soutien permanent ma permis de ne jamais baisser les

bras et de finaliser le travail. Je dois ma thse en grande partie ses qualits dencadrants au sens

large du terme aussi bien professionnelles que humaines. Encore une fois cette simplicit a

permis de btir une relation naturelle et je pense forte sans aucun complexe. Je tiens dire que

cest une personne pour qui je reste admiratif et infiniment reconnaissante davoir compris je

pense comment je fonctionnais et ce ntait pas une mince affaire Pour tout ce que je viens de

dire Yves et Jean Paul je vous suis extrmement reconnaissant et je vous remercie pour votre

encadrement, votre gentillesse votre calme et votre confiance.

Venons-en au clin dil que je souhaiterai faire, ils sont nombreux et jaurais aim les dtailler,

mais si je me lche encore une fois je pense que personne ne lira ma thse et elle finira au feu

avant mme la fin de la lecture des remerciements. On va tenter de faire plus bref mais je ne vous

promets rien. Dune manire chronologique mes premires penses se dirigent vers les premires

personnes que jai ctoyes au quotidien et qui mont initie mes premiers pas de doctorant. Je

fais rfrence notamment aux doctorants du moment de lquipe EP. Lambiance qui tait

installe dans cette bande dEPTE ma permis dtre de suite laise parmi vous. Cette facilit

dintgration ma rapidement permis de participer aux divers vins dhonneur (apros, cacahutes,

olives, pringles) organiss hebdomadairement voire par priode quotidiennement chez les uns

ou chez les autres (frres berthum et autres lieux festifs). De cette poque je pense

Remerciements


particulirement Mariya, Nataliya, Adi, Corine, Alex (le colloc !), Kiki (javoue mon plus grand

rival au squash), Guybrush, Xav, Herv, Gami, Kazouille, Franck, JPEG, POJ.

Je ne mtendrais pas sur la priode des soires Mario kart Pizza bire (merci Xav !), ou

simplement des soires pizzas bires (merci Xavencore), ou encore les soires simplement

bires (merci Xavencore et encore). Mais mme si vous apercevez souvent un certain

monsieur mystrieux nomm X. je tiens signaler quil ntait jamais seul participer

activement ces soires culinaires. Et jai la preuve que notre rpertoire tait vari, on a eu des

soires autre que bire comme soire jaune demandez Luke Skywalker et si vous ne le

trouvez pas demandez Alex (Metz) ou Xav (Lille).

Mais EPTE ce nest pas que cela ctait aussi la viet connexions avec Viet (la srnit au foot),

Binh (trop perso au foot ! Binh donne ta balle !), Ha (la force tranquille), et les nouveaux Hung

(champion du monde de foot Hung !) et Kien (le futur monsieur doctorant LCT pour les 3

prochaines annes !). Il y a galement mes collgues de promo Lora (Bulgare, ma partenaire de

rock pendant 3 sances) Aiman (Syrien), Max (Bulgare), Binh (Vietnamien), Erwan (Franais

comme moi !). Cette diversit culturelle me permet de souligner la merveilleuse chance que lon a

dvoluer dans un laboratoire de recherche. Cest indniablement une exprience trs

enrichissante sur laquelle je tenais mettre laccent. Puis les annes passent et de nouvelles

promos arrivent ce qui ma donn loccasion toujours dans cette quipe EP de faire connaissance

avec dautres gens et plus particulirement comme Loc, Jo et Nico (mon fidle collgue de

bureau), petits encouragements pour leurs fins de thses! Puis il y a les petits nouveaux Abdel (le

marocain franco-amricain) ou encore Olivier Deleage (sur les routes des performances dun

certain Nicolas Rouger ils sont nervants ces agrgs !), Olivier Martins (condolances PSG),

Behzad (nouveau collgue de bureau), Steph (Solution PV en force !), Corentin. Mais le

laboratoire ce nest pas que la salle EPTE, il y a galement la salle INFO (quipes MAGE), les

salles PRODIGE/PREDIS (quipe SYREL) ou encore la salle systme et sa plateforme. Tout

cela pour vous dire que le laboratoire est trs grand et que je regrette un peu finalement de ne pas

mtre plus ouvert hors EPTE mais vu le nombre important de doctorants ceci nest pas facile.

Cela dit je peux souligner quelques connaissances extrieures EPTE, commencer par la

Roumanie avec Maria ( laquelle je dois beaucoupKBKM pour la vie !) Dan et Bi (auxquels je

dois un paisible voyage en Autriche en Tyrol pour se ressourcer juste avant dattaquer la

rdaction, merci), Les frres Bogdanov (cest un jeu de mot) Bogdan (champion de foot syrel

mais mauvais perdant, sans rancune !) Octavian. Il y a encore une touche Bulgare avec Vanya,

Diana et Delcho. Et pour clore le tour des doctorants du labo, je finirais par une touche grecque

avec Dimitrios (celui qui je dois le vin de mon pot de thse et le mousseux !). Alors pour

Remerciements


lensemble dentre vous merci pour votre amiti quelle est t de prt ou de loin.

Cela me fait mal mais par pure amiti pour Alex et Nico ALLER lOM !

Pour en terminer avec le laboratoire je finirai sans citer tous ceux qui rendent le travail et la vie

agrables et aiss au laboratoire ; je veux bien entendu parler des techniciens, ingnieurs et

administratifs. Merci tous.

Le Finish Je tiens souligner particulirement quelques rencontres du cur, des personnes sur qui jai

toujours pu compter et sur qui je pourrais toujours compter et rciproquement, commencer par

Alex avec qui jai t en collocation durant 2 ans (bon daccord la dernire anne moiti) et

au passage je fais un petit bisou Adeline, il y a galement mes bulgares prfres Ivan et Mariya.

Merci vous 4 pour tout. Dans le mme registre je peux ajouter galement Max et Cline, et leurs

deux bouts de choux Lucas et Anthony, qui franchement sont dune gentillesse infinie. Ceci me

permet de faire un petit coucou au club de Foot de St Simon de Bressieux que jai t contraint

de lchement abandonner ds mon dbut de thse, mais le club est jamais dans mon cur.

Le meilleur pour la fin la famille ! Cest mon jardin secret alors les loges seront moins

consquents sur le papier. Que dire si ce nest que ma famille est formidable vous mavez

beaucoup surpris en tant nombreux venir ma soutenance alors que je nen avais pas trop fait

la pub par humilit je pense. Ctait une trs belle surprise et une grande satisfaction pour moi, jai

t trs touch. Sans me lancer dans une numration de chacun je vous remercie vraiment tous

prsents ou non la soutenance du fond de mon cur et je souligne au passage que nous

avons la chance davoir une belle famille et cest un atout pour les bons comme pour les mauvais

moments.

Je voudrais faire simplement un petit clin dil, qui a son importance, mon oncle Polo car il ne

le sait pas mais cest lui qui a entretenu ma motivation pour effectuer les derniers coups de clavier

pour finir la rdaction.

Parlons peu mais parlons bien de la famille-famille, Maxou, Fuche, Ludo, ma petite princesse

pitchounette Lola, draga mea Nn (MA princesse), Pap et Mam je vous aime

Table des matires


Table des matires

Table des matires


Table des matires


Introduction gnrale.....17

Chapitre I : Lintgration des composants passifs applique llectronique de puissance.................................................................................................... 25

I.1. Etat de lart ..........................................................................................................29

I.1.1. Introduction ltat de lart ..............................................................................................................29

I.1.2. L'intgration hybride..........................................................................................................................30

I.1.2.1. Empilement de fonctions ................................................................................................................31

I.1.2.2. Regroupement de fonctions .............................................................................................................33

I.1.3. L'intgration monolithique ...............................................................................................................37

I.1.3.1. Introduction lintgration sur silicium..........................................................................................37

I.1.3.2. Les techniques de dpt..................................................................................................................38

I.1.4. Les contraintes de lintgration ........................................................................................................39

I.1.4.1. Les matriaux ..............................................................................................................................39

I.1.4.2. Matrise des changes thermiques ...................................................................................................43

I.1.4.3. Modlisation des dispositifs............................................................................................................45

I.2. Le LCT.................................................................................................................45

I.2.1. Principe ................................................................................................................................................45

I.2.2. Modlisation........................................................................................................................................47

I.2.3. Diffrents modes de connexions .....................................................................................................48

I.2.3.1. Connexions adaptes des circuits rsonants..................................................................................48

I.2.3.2. Connexions adaptes dautres types de circuits .............................................................................49

I.2.4. Les prototypes ralises.....................................................................................................................49

I.2.4.1. Vers le composant LCT ...............................................................................................................49

I.2.4.2. Le composant LCT planar ...........................................................................................................50

Chapitre II : La structure MET...................................................................... 53

II.1. Tour dhorizon des diffrentes structures susceptibles dtre adaptes au LCT57

II.1.1. Les structures dites classiques .....................................................................................................57

II.1.1.1. Commutation dure ........................................................................................................................57

II.1.1.2. Commutation douce.......................................................................................................................58

II.1.2. Vers de nouvelles structures .............................................................................................................60

II.2. Prsentation de la structure MET.......................................................................60

II.2.1. Introduction de la structure MET ...................................................................................................60

II.2.1.1. Le contexte dtude........................................................................................................................60

TABLE DES MATIRES

Table des matires


II.2.1.2. Le cahier des charges .....................................................................................................................61

II.2.1.3. Le LCT dans la structure MET ..................................................................................................62

II.2.2. Description du fonctionnement.......................................................................................................63

II.2.2.1. Description de la phase 1...............................................................................................................63

II.2.2.2. Description de la phase 2...............................................................................................................64

II.3. Dimensionnement de la structure MET.............................................................65

II.3.1. Modlisation du transformateur 3 enroulements .......................................................................65

II.3.2. Choix dun agencement....................................................................................................................67

II.3.2.1. Les agencements envisags ..............................................................................................................68

II.3.2.2. Mise en quation de lagencement retenu.........................................................................................69

II.3.3. Identification des paramtres du transformateur ..........................................................................70

II.3.4. Formes dondes thoriques de la structure MET..........................................................................71

II.3.4.1. Le courant de sortie .......................................................................................................................71

II.3.4.2. Le courant magntisant .................................................................................................................72

II.3.4.3. Le courant primaire ......................................................................................................................73

II.3.4.4. La capacit dcrtage Cr...............................................................................................................73

II.3.4.5. Les contraintes des semi-conducteurs...............................................................................................74

II.3.4.6. Les conditions aux limites .............................................................................................................75

II.3.4.7. Les flux magntiques.....................................................................................................................76

II.3.4.8. Les formes dondes thoriques ........................................................................................................77

II.3.5. Dimensionnement de la structure MET.........................................................................................78

II.3.5.1. Relation entre/sortie ....................................................................................................................78

II.3.5.2. Les capacits de la structure...........................................................................................................78

II.3.5.3. Procdure de dimensionnement .......................................................................................................79

II.3.5.4. Rsultats numriques.....................................................................................................................85

II.3.5.5. Calcul de lencombrement pris par le circuit LCT ..........................................................................86

Chapitre III : Validation et intrt de la structure MET................................91

III.1. Validation numrique de la structure MET........................................................95

III.1.1. Validation des paramtres du transformateur................................................................................95

III.1.1.1. Simulation magnto harmonique (Flux2D)...................................................................................95

III.1.1.2. Caractrisation numrique du transformateur.................................................................................99

III.1.1.3. Comparaison numrique/thorique des paramtres...................................................................... 104

III.1.2. Analyse de la structure par simulation de type circuit ............................................................... 104

III.1.2.1. Conditions de simulation ............................................................................................................ 105

III.1.2.2. Validation du principe de fonctionnement ................................................................................... 105

III.1.2.3. Influence de linductance de fuite Lf3 ........................................................................................... 106

Table des matires


III.2. Comparaison volumique de la structure MET dautres structures................ 109

III.2.1. Critres de comparaison................................................................................................................. 109

III.2.2. Les dimensionnements des parties magntiques........................................................................ 109

III.2.2.1. Le transformateur de la structure MET ..................................................................................... 109

III.2.2.2. Structure classiques forward et flyback ........................................................................................ 111

III.2.3. Bilan de la comparaison volumique.............................................................................................. 113

Chapitre IV : laboration du prototype LCT ............................................... 117

IV.1. Les matriaux .....................................................................................................121

IV.1.1. Les matriaux dilectriques............................................................................................................ 121

IV.1.1.1. Introduction aux matriaux dilectriques .................................................................................... 121

IV.1.1.2. Les matriaux dilectriques classiques......................................................................................... 122

IV.1.1.3. Les nouveaux matriaux dilectriques......................................................................................... 124

IV.1.1.4. Choix dun matriau dilectrique................................................................................................ 126

IV.1.2. Les matriaux magntiques............................................................................................................ 126

IV.2. Choix des techniques de bobinage des enroulements...................................... 127

IV.2.1. Les configurations envisages ....................................................................................................... 127

IV.2.1.1. Configuration de lenroulement primaire...................................................................................... 127

IV.2.1.2. Configuration des enroulements secondaires ................................................................................. 128

IV.2.2. Les modes de connexions des spires............................................................................................ 130

IV.2.2.1. Mode de connexion de lenroulement primaire ............................................................................. 130

IV.2.2.2. Modes de connexion des enroulements secondaires ........................................................................ 131

IV.2.3. Simulations magnto transitoire des diffrentes configurations et modes de connexions.. 134

IV.2.3.1. Mise en place dune base de simulation ....................................................................................... 134

IV.2.3.2. Exploitations des simulations..................................................................................................... 136

IV.2.4. Comparaison des simulations magnto transitoire et circuit.................................................... 139

IV.2.4.1. Comparaison des simulations transitoires PSIM/FLUX .......................................................... 139

IV.2.4.2. Rajustement du point de fonctionnement .................................................................................... 140

IV.3. Ralisation de la structure MET ....................................................................... 143

IV.3.1. Partie puissance de la structure MET........................................................................................... 143

IV.3.1.1. Les interrupteurs de puissances ................................................................................................... 143

IV.3.1.2. Les diodes de puissances ............................................................................................................. 144

IV.3.2. Partie commande de la structure MET........................................................................................ 146

IV.3.2.1. Introduction la commande........................................................................................................ 146

IV.3.2.2. Solution choisie........................................................................................................................... 146

IV.3.3. Routage de la carte .......................................................................................................................... 147

IV.3.3.1. Dimensions du circuit ................................................................................................................. 147

Table des matires


IV.3.3.2. Implantation des composants ...................................................................................................... 150

IV.3.3.3. Implantation du LCT................................................................................................................ 151

Chapitre V : tude exprimentale du prototype...........................................155

V.1. Le droulement de la fabrication et ses alas ................................................... 159

V.1.1. Les divers problmes rencontrs .................................................................................................. 159

V.1.2. Changement du cahier des charges............................................................................................... 160

V.1.2.1. Changement du point de fonctionnement...................................................................................... 160

V.1.2.2. Nouveau dimensionnement ......................................................................................................... 161

V.1.3. Fabrication du circuit multicouches ............................................................................................. 162

V.1.3.1. Procd de fabrication ................................................................................................................. 162

V.1.3.2. Prsentation du prototype............................................................................................................ 163

V.2. Caractrisation du dispositif LCT..................................................................... 164

V.2.1. Identification des paramtres magntiques ................................................................................. 164

V.2.1.1. Modle magntique ..................................................................................................................... 164

V.2.1.2. Prcautions et garanties des mesures ............................................................................................ 165

V.2.1.3. Mesures ralises pour la caractrisation magntique.................................................................... 168

V.2.1.4. Exploitation des diffrents mesures ............................................................................................. 171

V.2.1.5. Bilan mesures des paramtres magntiques .................................................................................. 175

V.2.1.6. Validation du modle magntique............................................................................................... 176

V.2.2. Identification des paramtres lectrostatiques............................................................................ 177

V.2.2.1. Modlisation capacitive ............................................................................................................... 177

V.2.2.2. La capacit intgre .................................................................................................................... 178

V.3. Fonctionnement du LCT au sein de la structure.............................................. 179

V.3.1. Les formes dondes mesures........................................................................................................ 180

V.3.1.1. Les conditions de mesures ........................................................................................................... 180

V.3.1.2. Les formes dondes...................................................................................................................... 181

V.3.1.3. Confrontation des mesures la simulation .................................................................................. 185

V.3.2. Sparation des pertes ...................................................................................................................... 186

V.3.2.1. Bilan de puissance ...................................................................................................................... 186

V.3.2.2. Estimation de la rpartition des pertes ........................................................................................ 187

V.3.3. Comportement de la structure MET............................................................................................ 188

Conclusion gnrale.191

Bibliographie....199

Annexes.207

Introduction gnrale


Introduction gnrale

Introduction gnrale


Introduction gnrale


Llectronique de puissance et lintgration

Ces dernires annes, les recherches en lectronique de puissance se sont focalises pour une

grande part sur lintgration en vue damliorer les performances des convertisseurs en termes de

rendement, compacit et fiabilit. D'autre part, dans le mme temps, les champs dapplications de

llectronique de puissance n'ont cess de se diversifier faisant que son utilisation savre

aujourd'hui indispensable dans une large plage de puissance allant de quelques Watts plusieurs

centaines de Kilowatts. Ils couvrent galement une large gamme de frquence dont la limite

suprieure tend augmenter de manire gagner en volume mais bien souvent au dtriment

d'une amlioration du rendement. Cette diversit de puissances implique des approches et des

technologies matriser se prsentant sous des formes diffrentes, ce qui amne sparer

llectronique de puissance dans deux catgories distinctes savoir les faibles et les fortes

puissances. Selon lenvironnement, ltude de lintgration ne sera pas similaire. Par exemple, en

faible puissance des domaines comme les systmes portables sont perptuellement demandeurs

de rduction dchelle tout en gardant de bonnes performances et des cots comptitifs. En forte

puissance, le rendement est plus souvent le critre respecter compte tenu du niveau de pertes

quil peut entraner.

Les possibilits dintgration

Devant laccroissement de la demande, les efforts de recherche en intgration se sont

multiplis et ont donn naissance plusieurs technologies sur lesquels les actions se sont

concentres. Il existe ce jour deux types

d'intgrations de puissance : lintgration

monolithique et lintgration hybride. La

premire a permis de faire clore des

passerelles entre llectronique de puissance

et la micro lectronique par des similitudes

lies la technologie silicium. En effet

lintgration monolithique sur silicium a t

applique dans un premier temps aux

INTRODUCTION GNRALE

Introduction gnrale


lments actifs reprsents par les semi-conducteurs sur lesquels se repose tout le

fonctionnement des convertisseurs dlectronique de puissance. Cette technologie a permis, dans

un premier temps, non seulement de rduire les volumes mais galement damliorer les

interconnexions souvent source de problmes lectromagntiques et parasites. Lvolution de la

matrise de lintgration de ce substrat a permis denvisager lintgration de plusieurs fonctions

quelles soient passives ou actives. Par association, des tudes de micro convertisseurs

entirement intgrs ont pu voir le jour. Cependant les puissances restent relativement faibles

ce jour, ce qui limite le champ dapplication. Paralllement, la piste hybride a t dveloppe et

concerne principalement les composants passifs. En effet dans la course la rduction des

volumes des alimentations d'lectronique de puissance, l'intgration des composants passifs

constitue un des leviers pour atteindre des niveaux de miniaturisation intressants. Dans cette

optique, de multiples travaux ont dj t engags de part le monde. Les premiers sengager sur

cette piste ont t J.A Ferreira et J.D. van Wyk, en proposant de marier deux fonctions passives,

inductance et capacit, habituellement rencontres dans un convertisseur, dans un seul et unique

composant. Cette ide a t dans un premier temps mise en application travers des fonctions

filtre LC intgre. Le comportement sapparente celui dune ligne de transmission et peut tre

utilis comme circuit rsonant ou

comme filtre, les possibilits de modes

de connexions tant varies. Par la

suite ce concept fut tendu llment

passif assurant l'isolation galvanique

souvent prsent dans un convertisseur

dnergie, en loccurrence le

transformateur, donnant naissance

un seul et unique composant passif

baptis LCT comprenant les trois

fonctions passives. Ce dispositif fut le concept directeur des travaux dvelopps au sein de notre

laboratoire G2Elab durant ces 7 dernires annes. La technologie utilise nest autre que la

technologie des circuits multi couches, appele communment planar, qui va permettre un gain

en volume, en interconnexions et en vacuation thermique, les surfaces dchanges plus grandes

tant propices la dissipation des calories. Cependant ce concept savre limit en termes

dvolution puisque la rduction de volume repose principalement sur les performances des

matriaux dilectriques insrs dans le dispositif. En dpit de cela, les matriaux voluent

rapidement ce qui accrot lintrt dun dispositif LCT. En effet les ralisations faites ce jour se

Introduction gnrale


cantonnent des applications rsonance ncessitant une capacit reste relativement faible et

aisment intgrable dans un petit volume (quelques nF), mais nous relevons bien que lintrt

dun tel dispositif serait exacerb si celui-ci pouvait tre exploit des alimentations dcoupage

plus traditionnelles dans lindustrie, du type Flyback ou Forward. Pour cela la facult dintgrer de

plus fortes valeurs (suprieur au F) est requise mais elle reste ce jour inaccessible.

Les travaux de thse

Les recherches menes au G2Elab sur lintgration de composants passifs destins aux

alimentations dlectronique de puissance se sont traduites par la ralisation du composant LCT

pour une application quasi rsonante de 60W. Dans le but de faire voluer ce dispositif nous

avons cherch ladapter des alimentations dcoupage non rsonantes plus classiquement

utilises. Les travaux de recherche mens au cours de cette thse reposent sur la conception dun

LCT oprant au sein dune structure pralablement dfinie en fonction de ces objectifs. La

structure de ce mmoire se dcompose en 5 chapitres dcrits ci-dessous.

Le premier chapitre intitul Lintgration des composants passifs applique llectronique de

puissance permet dintroduire le mmoire plus en dtails. Une premire partie traite de ltat de

lart de lintgration en lectronique de puissance et plus particulirement des solutions hybrides.

Divers exemples dapplications etudies dans diffrents laboratoires de recherche nationaux et

internationaux y sont prsents. Les difficults quengendrent ce type dintgration (thermique,

modlisation, matriaux) sont numres et nous verrons quelles peuvent constituer des freins

lavance de la technique hybride. En seconde partie nous nous attardons sur le composant

LCT dont nous approfondissons le principe de fonctionnement et sa modlisation. Nous

mettons en avant galement les diffrentes possibilits de connexions quoffre ce dispositif et les

premires ralisations du laboratoire G2Elab sont prsentes.

Le deuxime chapitre, intitul La structure MET , traite une nouvelle structure dite

Transfert dnergie Mixte que nous proposons. Celleci se base sur le fonctionnement dun

forward pour lequel l'inductance de sortie est intgre dans le transformateur trois

enroulements. Dans ce mme transformateur sera aussi intgre une capacit jouant la fois un

rle dcrtage et dquilibrage de la structure. Dans un premier temps, nous verrons comment

nous avons abouti cette solution en numrant les diffrentes structures existantes et en

Introduction gnrale


valuant le potentiel qu'elles offrent pour l'insertion d'un dispositif intgr LCT. Le

fonctionnement de la structure MET est ensuite prsent en dtails. Lobjectif est de respecter un

cahier des charges identique celui ayant servi la ralisation du premier prototype LCT planar

pour une application rsonance savoir : 60W avec 50V en entre et 5V en sortie. Ces niveaux

de tensions et de puissance sont en effet typiques des applications d'lectronique de puissance

dans de multiples domaines (aronautique, spatial, automobile, domestique). Pour finir ce

chapitre, le dimensionnement de cette structure non classique est abord. On verra que celui-ci

savre relativement complexe du fait de linsertion du modle toff dun transformateur 3

enroulements, qui fait augmenter le nombre de paramtres. La dmarche de dimensionnement

propose, qualifie ditrative, est traite et les premiers rsultats analytiques rsultant du

fonctionnement de la structure et de son cahier des charges sont obtenus.

Au cours du troisime chapitre Validation et intrts de la structure MET , nous effectuons, en

premier lieu, les simulations visant identifier les paramtres du transformateur par simulation

magnto harmonique laide dun logiciel lments finis (FLUX2D). Ensuite, le

fonctionnement de la structure MET est simul par un logiciel de type circuit (PSIM) afin de

comparer le fonctionnement obtenu laide des paramtres du transformateur dimensionns

celui obtenu en utilisant les paramtres issus de la simulation magnto harmonique. Au cours de

ce chapitre, nous comparerons les volumes de tous les lments magntiques de la structure

MET ceux des composants qu'auraient ncessit une structure classique (telle que le Flyback et

le Forward) pour un mme cahier des charges. Cette comparaison vise mettre en vidence le

gain de volume qu'apporte la structure MET par rapport aux structures classiques et montrer

lintrt de cette structure.

Le chapitre suivant laboration du prototype LCT aborde la mise en uvre du prototype LCT

adapt la structure MET afin de prparer la fabrication de celui-ci. Pour cela, une attention

particulire est porte au choix d'un matriau dilectrique. Ainsi, dans une premire partie, une

recherche des diffrents matriaux susceptibles de convenir nous mne au matriau HK04 de

chez Dupont. Dans une deuxime partie, le choix des techniques de bobinages des enroulements

du transformateur est abord. Diffrents cas de figures sont recenss et simuls par lments finis

(Flux2D, mode magnto transitoire) afin de trouver la meilleure configuration en terme de

rendement. Enfin, le dimensionnement des interrupteurs de puissance ainsi que de l'lectronique

de commande est abord pour aboutir sur la CAO du circuit imprim du prototype final.

Introduction gnrale


Le dernier chapitre, intitul tude exprimentale du prototype , sattache prsenter les

performances obtenues avec la structure MET incluant un LCT. Une premire partie numre les

tapes successives franchies au cours de la fabrication avant daboutir au produit fini. Une fois le

prototype en notre possession, une caractrisation fine a t conduite laide de mesures

dimpdances. Celles-ci, effectues laide dun pont dimpdance HP4294, valident son

dimensionnement. Enfin, l'intgralit de la structure MET a t ralise et un bilan de ses

performances a t effectu. Les performances du dispositif sont prsentes et une tude visant

sparer et identifier les diffrentes causes de pertes du dispositif (pertes joules, pertes

dilectriques, pertes fer, pertes semi-conducteurs) est mene.

Ce mmoire sachve par une synthse du travail effectu et des rsultats obtenus. Avec le

recul apport par ces trois annes de thse, nous voquons brivement diffrentes pistes de

dveloppement du LCT suivre dans les annes futures.

Introduction gnrale


Chapitre I : Lintgration des composants passifs applique llectronique de puissance


Chapitre I : Lintgration des

composants passifs applique

llectronique de puissance



LINTGRATION DES

COMPOSANTS PASSIFS

APPLIQUE LLECTRONIQUE

DE PUISSANCE

C

H

A

P

I

T

R

E

I

INTRODUCTION

Lintgration en lectronique de puissance se traduit par diffrentes techniques,

de lintgration hybride lintgration monolithique. A ce sujet, plusieurs travaux

ont dj t raliss depuis quelques annes et sont actuellement en cours

dvolution. Ce premier chapitre permet de retracer les diffrents travaux

dintgration effectus et plus particulirement ceux appliqus aux composants

passifs des convertisseurs, cette orientation tant celle nous concernant directement

dans notre tude. Outre les nombreux avantages, ces techniques dintgration

innovantes prsentent un certain nombre de contraintes abordes dans ce chapitre,

prendre en compte pour des tudes de ce type. Parmi celles-ci, une application

dintgration de composants passifs se distingue, il sagit du dispositif LCT

permettant la ralisation dune inductance d'un condensateur et d'un transformateur

dans un seul et unique composant passif. Ce principe LCT tant la base de nos

travaux, il est largement dcrit dans ce chapitre ainsi que les diffrentes applications



Sommaire

I.1. Etat de lart ..........................................................................................................29

I.1.1. Introduction ltat de lart ..............................................................................................................29

I.1.2. L'intgration hybride..........................................................................................................................30

I.1.2.1. Empilement de fonctions ................................................................................................................31

I.1.2.2. Regroupement de fonctions .............................................................................................................33

I.1.3. L'intgration monolithique ...............................................................................................................37

I.1.3.1. Introduction lintgration sur silicium..........................................................................................37

I.1.3.2. Les techniques de dpt..................................................................................................................38

I.1.4. Les contraintes de lintgration ........................................................................................................39

I.1.4.1. Les matriaux ..............................................................................................................................39

I.1.4.2. Matrise des changes thermiques ...................................................................................................43

I.1.4.3. Modlisation des dispositifs............................................................................................................45

I.2. Le LCT.................................................................................................................45

I.2.1. Principe ................................................................................................................................................45

I.2.2. Modlisation........................................................................................................................................47

I.2.3. Diffrents modes de connexions .....................................................................................................48

I.2.3.1. Connexions adaptes des circuits rsonants..................................................................................48

I.2.3.2. Connexions adaptes dautres types de circuits .............................................................................49

I.2.4. Les prototypes raliss.......................................................................................................................49

I.2.4.1. Vers le composant LCT ...............................................................................................................49

I.2.4.2. Le composant LCT planar ...........................................................................................................50



I.1. Etat de lart

I.1.1. Introduction ltat de lart

Comme le prcise lintitul du chapitre, nous mettrons en avant uniquement lintgration des

composants passifs pour llectronique de puissance, cette partie tant la principale concerne par

nos travaux. Les premires recherches concernant lintgration de composants passifs ont t

ralises il y a une vingtaine dannes dans un laboratoire d'Afrique Sud (Energy Laboratory de

lUniversit de Rand) au sein de lquipe de J.A. Ferreira et J.D. van Wyk. Les premires

recherches taient diriges vers lintgration de capacits et dinductances dans le but de raliser

soit des circuits rsonants soit des filtres selon le mode de connexion mise en uvre [1-STI90, 2-

SMI93, 3-MAR95].

Le laboratoire SATIE (ENS de Cachan) par lintermdiaire de lquipe de F. Costa a concentr

une partie de ses actions de recherche sur ce thme, notamment dans le cadre du GdR

Intgration en Electronique de Puissance dans un premier temps puis du GdR ISP3D, pour

tudier le comportement des composants LC intgrs grce la thorie des lignes de

transmissions. En effet, ces deux dispositifs prsentent des comportements trs similaires [4-

WILO2] (Figure I-1).

filtre LC non intgr

filtre LC intgr

Figure I-1 : Exemple de Filtre LC non intgr et intgr (SATIE Wilmot 2003)

Dans la continuit de leurs travaux lquipe de J.A. Ferreira et J.D.van. Wyk a mis lide de

marier les trois composants passifs classiquement disponibles dans une structure dlectronique

de puissance savoir une inductance, un condensateur et un transformateur [5-HOF97]. Cest sur

ce concept, appel LCT, que lquipe Electronique de puissance du laboratoire G2Elab travaille

depuis une dizaine dannes par lintermdiaire de J.P. Ferrieux et Y. Lembeye [6-LAO03]. Dans

cette mme quipe d'autres travaux portant sur l'intgration monolithique afin de raliser des

inductances intgres sur silicium pour des applications dans le contexte des faibles puissances

ont aussi t abords [7-BOG02].



Figure I-2 : Photo alimentation intgre/non intgre

L'intgration des passifs n'est pas le seul sujet de recherche qui permettra d'aboutir la

ralisation d'alimentation trs forte intgration. En effet, paralllement ces travaux, un grand

nombre dtudes concernant la partie active des convertisseurs sont ralises de part le monde.

Mme si ces travaux ne sont pas abords ici, ils permettront, par une meilleure matrise des

commutations, une rduction des contraintes, des pertes, des gains importants sur le volume final

du convertisseur [8-MUR00, 9-ROU06].

Cette premire partie du chapitre concernant ltat de lart de lintgration des composants

passifs, a pour but de prsenter les divers travaux raliss jusqu aujourdhui. Lide nest pas de

dtailler chacune des tudes mais simplement de les numrer en situant le contexte. Nous allons

tout dabord retracer les diffrentes techniques dintgrations de composants passifs quelles

soient hybrides ou monolithiques. Nous verrons que, quelle que soit la technique de ralisation,

laugmentation de la densit de puissance va constituer un frein lvolution. Malgr tout, les

techniques et les technologies voluant constamment, les dveloppements de ces types

dintgration sont prometteurs et ouvrent un large champ dapplications llectronique de

puissance. Ces procds seront illustrs travers diverses applications qui ont fait le sujet

dtudes au sein de divers laboratoires nationaux et internationaux. Nous numrerons les

difficults engendres par ces diverses techniques dintgration constituant de vritables points

bloquants pour llaboration de telles mthodes dintgration.

I.1.2. L'intgration hybride

Lintgration hybride consiste associer diffrents matriaux de telle manire raliser

plusieurs fonctions dans un seul bloc, soit par empilement, soit par regroupement de fonctions.

Ce type dintgration permet technologiquement denvisager la ralisation de convertisseurs de

plus ou moins fortes puissances. Ces diffrentes techniques sont davantage explicites dans les

paragraphes suivants.



I.1.2.1. Empilement de fonctions

a) Principe

Cette technique consiste intgrer chacune des fonctions passives sparment et ensuite les

empiler de manire former un seul bloc comprenant plusieurs fonctions. Au pralable cette

technique a fait lobjet de simple empilement de deux fonctions de manire obtenir un filtre

CEM intgre. Elle a t tendue ensuite au convertisseur complet. En effet laboutissement

dune telle ide est de pouvoir rassembler lintgralit dun convertisseur dans un mme bloc de

manire condenser celui-ci et obtenir une plus grande puissance volumique.

b) Concept hybride PIAC

Le SATIE sintresse lintgration des composants passifs depuis un certain nombre

dannes par le biais des travaux engags par E. Labour et F. Costa. Ils ont ainsi pu avancer un

certain nombre de concepts mais aussi de ralisations sur ce sujet. Nous retiendrons plus

particulirement les tudes effectues autour de lintgration de structures compltes tant donn

les objectifs viss. Un exemple Figure I-3 prsente cette approche visant lintgration dune

structure complte tudie au laboratoire SATIE en empilant chacune des fonctions intgres

individuellement. Celle-ci se nomme la structure PIAC (structure Passive Intgre obtenue par

Assemblage, Complte) et permet notamment denterrer les lments inductifs mais aussi

capacitifs dans un circuit imprim.

Filtre dentre :

partie inductivepartie capacitive

drain thermique

Filtre de sortie :


circuit imprim

connecteurs

composants actifs

Filtre dentre :


Filtre dentre :


drain thermique

Filtre de sortie :


Filtre de sortie :


circuit imprim

connecteurs

composants actifs

Filtre dentre :


composants actifs

circuit imprim

Filtre de sortie :


connecteurs

Filtre dentre :


Filtre dentre :


composants actifs

circuit imprim

Filtre de sortie :


Filtre de sortie :


connecteurs

Figure I-3 : Concepts dintgration dune structure PIAC (SATIE - thse WILMOT - 2004)



Cet empilement est compos de diffrentes couches de diffrents matriaux ncessaires la

ralisation des diverses fonctions. Il dispose de parties inductives remplissant le rle dlment

magntique, autour duquel on peut retrouver des circuits imprims disposant de pistes

conductrices permettant la ralisation denroulements pour construire soit une inductance soit un

transformateur. La capacit est reporte sur le dessus du dispositif. Nous obtenons au final un

circuit multicouche compos par diffrents matriaux, auquel la partie composants actifs peut

galement tre ajoute. En effet, il est ais dempiler un nouveau circuit imprim intgrant les

composants actifs et leurs connexions, ou alors dtendre lun des circuits imprims dj mis en

uvre pour placer ces lments. Cette deuxime solution prsente l'inconvnient dtendre la

surface du dispositif, mais en contre partie la surface dchange thermique est plus importante et

permet ainsi une meilleure vacuation de la chaleur. Il reste tablir les connexions entre les

diffrents tages en les ralisant par lintermdiaire de trous mtalliss.

Dans le cadre des travaux de thse de F. Wilmot [10-WIL04] lintgration de la structure PIAC

a t dans un premier temps dveloppe et ralise en partie pour rpondre un cahier des

charges de convertisseur DC/DC 60W 48V-5V/12A, 500kHz. Ceci tant, compte tenu des

avancs technologiques actuelles concernant les matriaux dilectriques, lintgration de la

capacit de sortie ou encore du filtre CEM au sein de lempilement de fonction reste impossible

et sont implants lextrieur du dispositif. Nanmoins un travail consquent a t fait pour

mettre en uvre cette ralisation qui au final utilise la technologie planar pour lintgration du

transformateur et de linductance de sortie. Ce dispositif LT est implant sur un circuit imprim

sur lequel se trouve la partie composant de puissance et de commande non intgre.

filtre CEM dentre Transformateur

filtre de sortie

filtre CEM dentre TransformateurTransformateur

filtre de sortie

structure DC/DC intgrer

Figure I-4 : Prototype dune structure complte intgre (SATIE, thse WILMOT - 2004)



Par la suite la thse de M. Arab [11-ARA06] a fait lobjet, en grande partie, dun important

travail doptimisation de ce mme dispositif LT sur un plan gomtrique et des performances

lectriques.

c) Concept hybride emPIC

60W - 450kHz

55mm x 80mm x 4mm

Figure I-5 : Principe et exemple dun convertisseur emPIC dvelopp par J.A. Ferreira

Dans un mme registre, la Figure I-5 prsente le principe dun exemple dintgration hybride

dun convertisseur nomm emPIC (embedded passives integrated circuits) dvelopp

l'University of Technology, Delft, Hollande, par lquipe de J.A. Ferreira [12-WAF02, 13-

WAF03]. Ce concept permet dintgrer plusieurs fonctions passives conues par diffrents

matriaux qui se retrouvent imbriques les unes sur les autres pour former un seul bloc. Le

convertisseur ralis sappuie sur une topologie rsonance srie avec isolation galvanique. La

capacit rsonnante enterre est de 3,2nF et le rendement rsultant est de 82% dont 2/3 des

pertes dues au transformateur (pertes cuivre + pertes fer), le restant provenant des composants

actifs. On distingue donc que les futures recherches doivent tre orientes sur le dispositif

magntique autant sur un plan de lagencement magntique que sur llaboration de matriaux

performants.

I.1.2.2. Regroupement de fonctions

a) Principe



La philosophie reste la mme savoir rassembler des fonctions passives. Nanmoins le

concept technologique est diffrent dans le sens ou lintgration des diffrentes parties est

aborde dans lensemble et non pas individuellement. Le principe est dutiliser les parasites et les

fuites qui peuvent tre engendres par le dispositif dempilement de matriaux de natures

diffrentes. En effet les circuits multicouches, de par la superposition, permettent dobtenir des

capacits parasites pouvant tre plus ou moins importantes. Les moyens de contrler celles-ci

sont la nature et lpaisseur des matriaux utiliss et plus particulirement les isolants

dilectriques. Ensuite il est galement possible dexploiter les imperfections dun transformateur

qui va impliquer des fuites se traduisant par des inductances quivalentes. Il apparat donc

envisageable de concevoir des lments planars de manire grer ces effets perturbateurs

capacitifs et inductifs que nous pourrons mettre profit. Ce concept va lencontre des tudes

traditionnelles rencontres en lectronique de puissance puisque la tendance est plutt

laccentuation de ces phnomnes parasites au lieu de chercher les attnuer. Cette dmarche

technologique a donn naissance un nouveau composant baptis LCT qui est largement

prsent plus en aval et qui fait lobjet de plusieurs recherches que ce soit au G2Elab ou au sein

des quipes diriges par J.A. Ferreira et J.D. van Wyk. Cest sur ce concept que nos efforts se

sont principalement concentrs dans la continuit de travaux prcdemment engags sur le sujet.

b) Concept IPEM

Exemple dun IPEM

Principe dun IPEM

Figure I-6 : Principe et exemple dun module dintgration Passive IPEM (Van Wyk)

Ce concept issu des nombreux travaux ralis par lquipe de J.D. van Wyk (CPES Virginia

Polytechnic Institute and State University) est dfini comme un module intgr dlectronique de

puissance IPEM (Integrated Power Electronic Module) [14-LEE04]. La technologie de mise en

uvre utilise est toujours le planar. Ce principe peut tre appliqu toute la structure, en



partitionnant lintgration en diffrents modules : Filtre IPEM, Active IPEM, Passive IPEM.

Cette partition permet doptimiser les performances du systme global dintgration du

convertisseur dans son intgralit. Nous nous intressons plus particulirement au module

Passive IPEM dans lequel on retrouve un regroupement de fonctions intgrant la fois une

capacit et des lments inductifs.

La Figure I-6 prsente un exemple dintgration de composants passifs au sein dun module

IPEM pour une application de convertisseur rsonnant comprenant une capacit et une

inductance en srie pour la rsonance avec deux transformateurs dans ce cas prcis. Linductance

srie nest autre que les fuites des transformateurs et la capacit est ralise partir de

lenroulement primaire du transformateur planar hybrid winding . On parlera alors de

composant LCT ou LLCT selon la prise en compte de l'inductance magntisante ou pas. Ce

principe sera le moteur de nos travaux et est explicit en dtail au cours du paragraphe I.2.

c) Concept Flex PCB

Dans le mme esprit, lquipe de J.A. Ferreira a conu un composant LCT base dun

polyimide flexible cuivr sur chacune des faces qui sera ensuite intgr au sein dun concept de

convertisseur 3D [15-JON06]. Ce matriau prsente les mmes caractristiques que ceux utiliss

jusqu prsent au cours des diffrents travaux dintgration de composants passifs raliss par

cette quipe. Ceci tant, les ralisations envisageables sont une nouvelle fois restreintes

lintgration de capacit de faible valeur, seulement quelques nF. Les applications sont toujours

les convertisseurs rsonance o les valeurs de condensateur ncessaires la rsonance restent

relativement faibles et donc intgrables par ce principe (Figure I-7).

LLC (convertisseur rsonance srie) LLT

LLCT

Figure I-7 : Diverses applications du Flex PCB (Ferreira)

Dans les trois applications prsentes par la Figure I-7, seule le composant intgr LLT a t

ralis. En effet, comme dans chacun des concepts prsents, le principal frein reste les



performances des matriaux dilectriques nous restreignant des ralisations de capacits

relativement faibles. La Figure I-8 prsente la vue clate du composant LLT ralis ainsi qu'une

photo du produit final. Les capacits Cr, servant la construction du point milieu capacitif sont

ralises en dehors de ce prototype.

vue clate du prototype LLT

prototype flex LLT

Figure I-8 : Prototype LLT flex PCB (Ferreira)

Llment inductif est obtenu partir des inductances de fuite du dispositif qui sont contrls

par l'insertion de couches magntiques au sein du circuit multi couche flexible (Leakage

inductance enhancement layer sur la Figure I-8).

Lun des avantages de cette solution rside dans la facilit mettre en uvre du matriau

ralisant le support du circuit imprim du fait de sa souplesse qui permet d'viter les difficults du

pressage du circuit imprim que l'on peut rencontrer avec des ralisations classiques base de

matriaux plus rigides ainsi que le surcot d'une ralisation multicouche.

d) Le LCT au G2Elab

La ralisation est toujours base sur le mme principe, savoir utiliser les lments parasites

du dispositif. La divergence rside principalement dans le fait que llment inductif est

simplement contrl par un entrefer permettant de gnrer des fuites souhait [16-LEM05].

Notre dmarche sera largement explicite par la suite au paragraphe I.2.

e) Concept dintgration dun LLT

Nous pouvons galement citer un autre travail en cours au sein du G2ELAB, qui vise ltude

de lintgration des lments magntiques dune structure nomm current doubler rectifier

fonctionnant 1kW et 150kHz. Les deux inductances ainsi que le transformateur sont intgrs

dans un mme composant magntique. Cette tude est lobjet de la thse dA. Kerim (Figure I-9).



Rc : rluctance de la jambe centrale

R0 : rluctance des jambes extrieures

1C

2C

1Tr

2Tr

1L

2L

1D

2D

0C

a

b

0R

0i1i

2i

current doubler rectifier

Ns

D1

D2

NsNp

NpVab

190Veff

a

b

Nc

Vs = 48V

Ns

D1

D2

NsNp

NpVab

190Veff

a

b

Nc

Vs = 48V

150kHz

disposition magntique

Figure I-9 : Travaux de thse de A. Kerim (G2ELAB)

Lenroulement primaire et lenroulement secondaire sont rpartis en demi enroulements

disposs sur chaque jambe extrieure. Un enroulement sur la jambe centrale, sur laquelle se situe

un entrefer, connect au point milieu des deux demi secondaire permet daccrotre et dajuster

linductance de sortie quivalente (I-1).

2

2

0

2

+

+

=c

sc

sortie

NN

L I-1

I.1.3. L'intgration monolithique

I.1.3.1. Introduction lintgration sur silicium

Lintgration monolithique, plus approprie pour les convertisseurs de faible trs faible

puissance, est apparue grce lvolution faite sur les procds de gravure et de dpt de

matriau sur le support substrat silicium. Lintgration de composants passifs par ce procd fut

alors envisageable et ralisable. Lavantage de cette technique est de permettre la ralisation des

parties actives et passives d'un convertisseur ainsi que leurs interconnexions sur un mme

substrat de silicium conduisant des ralisations de trs faible encombrement pour les trs faibles

puissances. Au sein du laboratoire LEG cette technique dintgration monolithique a fait lobjet

dune thse prpare par J.M Boggetto concernant lintgration dune inductance de lissage [17-

BOG03].

SN



L

C R SW2

SW1

Vin Vout

Iout

Commande

IL Iin

L = 1H; Imax = 1A; F = 500kHz

4 mm

3 mm

100m

100m15m

100m

15m

10 spires4 mm

3 mm

100m

100m15m

100m

15m

10 spires4 mm

3 mm

100m

100m15m

100m

15m

10 spires

FeNi

Cu

4 mm

3 mm

100m

100m15m

100m

15m

10 spires4 mm

3 mm

100m

100m15m

100m

15m

10 spires4 mm

3 mm

100m

100m15m

100m

15m

10 spires

FeNi

Cu

Figure I-10 : Intgration monolithique dune inductance (thse LEG J.M. Boggetto)

I.1.3.2. Les techniques de dpt

Un des points dlicats pour la mise en uvre de cette technique est la difficult que reprsente

le dpt de matriaux divers (matriaux magntiques isolants conducteurs) de bonne qualit sur

un substrat silicium. Plusieurs techniques dveloppes en salle blanche permettent de faire ces

dpts et sont choisir en fonction des caractristiques physiques des matriaux dposer et des

caractristiques des dpts raliser. Les plus courantes vont tre numres dans la suite. Tout

d'abord, llectrodposition permet de dposer uniquement des matriaux conducteurs mais

autorise des paisseurs importantes (qq 10m) grce des vitesses de dpt consquentes

(300nm/min). Une autre technique, le dpt CVD (Chemical Vapor Deposition) qui consiste

utiliser une raction chimique entre le substrat sur lequel on souhaite faire le dpt et le matriau

en phase vapeur, permet de dposer une grande varit de matriaux. En revanche la mise en

uvre est relativement complexe et sensible. Enfin la technique de dpt PVD (Physical Vapor

Deposition) appel galement sputtering prsente lavantage dtre plus simple mettre en uvre.

Le principe est bas sur le bombardement d'une cible constitue du matriau dposer l'aide

dions par lintermdiaire dun faisceau vitesse relativement importante. On dtache ainsi de la

matire de la cible qui va venir se dposer, entre autre, l'endroit o doit tre ralis le dpt. Un

masquage du support est ncessaire de manire dessiner la forme voulue. Cette technique

sapplique tout type de matriau mais sa vitesse de dpt est extrmement lente (6nm/min), ce

qui limite lpaisseur de dpt envisageable.



Cette possibilit dintgration reste trs loigne du travail que nous avons effectu durant

cette thse de part les diffrences de possibilit quelle prsente par rapport aux techniques

dintgration hybride. Ainsi, la faon daborder le dimensionnement est diffrent compte tenu

dune dimension verticale quasi inexistante du fait des trs faibles paisseurs rsultantes des

techniques de dpt ; nanmoins, elle fait partie des possibilits srieuses dintgration des

composants passifs.

I.1.4. Les contraintes de lintgration

Si elle prsente les atouts dun encombrement moindre et des performances au moins gales

voire meilleures quune solution discrte, lintgration va faire natre de nombreuses contraintes

plus ou moins dlicates surmonter. Que ce soit pour une intgration monolithique ou hybride,

les points bloquants vont tre sensiblement identiques. Ces derniers tournent autour des

diffrents matriaux mis en uvre, dune thermique bien souvent difficile contrler et de la

modlisation dun tel dispositif planar difficile affiner tant un grand nombre de phnomnes

physiques non dsirs entrent en interaction. Ces diffrentes contraintes sont abordes ci-dessous

et font le sujet dune analyse plus particulirement dirige vers lintgration hybride qui nous

concerne directement.

I.1.4.1. Les matriaux

Les matriaux pouvant tre mis en uvre dans le contexte de lintgration des composants

passifs se rpartissent en trois familles en fonction de leurs proprits physiques : les

dilectriques, les magntiques et les conducteurs. Une analyse est faite en premire partie du

chapitre, numrant les diffrents matriaux disponibles et envisageables pour nos travaux. Dans

cette analyse, nous nous sommes restreints aux problmes que peuvent engendrer la mise en

uvre et les caractristiques des matriaux au sein de nos dispositifs.

a) Matriaux magntiques

Le matriau idal devrait disposer d'une permabilit relative ainsi que d'une induction

saturation leve, afin de correctement canaliser les lignes de champ, tout en proposant une large

bande passante et un niveau de pertes faible. Malheureusement, dans les matriaux rels, deux

phnomnes physiques vont tre lorigine des pertes magntiques : les pertes par courants de

Foucault ainsi que les pertes par hystrsis. Elles apparaissent dans le circuit magntique

significativement ds que lon atteint les kHz. Pour assurer des fonctionnements corrects pour

des frquences de fonctionnement de plus en plus leves, il est ncessaire d'avoir recours des



matriaux prsentant des rsistivits leves si l'on souhaite maintenir faibles les courants induits.

Dans ces conditions, le matriau magntique ferrite prsente des caractristiques intressantes

grce une rsistivit importante limitant ainsi les effets des courants induits. Malgr tout, les

pertes vont dpendre non seulement de la frquence mais aussi de linduction maximale et de la

temprature. Pour cela, une grande varit de matriaux ferrite existe grce un large spectre de

compositions permettant ainsi dobtenir diffrentes caractristiques. Le domaine frquentielle

dapplication stend entre 10kHz plusieurs GHz pour les applications RF. En revanche ce

matriau prsente l'inconvnient dtre dur et donc dlicat usiner. Il est donc peu appropri

pour des formes gomtriques complexes qui pourraient permettre l'amlioration des

performances du noyau magntique. De plus, d'autres effets, engendrant des pertes

supplmentaires peuvent galement apparatre au sein dun matriau magntique en hautes

frquences tels que des effets locaux dans les angles du noyau ou au voisinage des entrefers

engendrant des concentrations importantes de champ magntique.

b) Matriaux dilectriques

Comme nous avons pu le voir tout au long de ltat de lart fait sur lintgration de

composants passifs, les matriaux dilectriques vont tre le principal point bloquant lextension

des applications du concept dintgration par regroupement de fonctions, plus spcifiquement au

dveloppement du composant LCT. En effet le dimensionnement de la partie capacitive de ce

dernier est dpendant des performances dilectriques du matriau mis en uvre. Aujourd'hui, les

matriaux existants ne permettent pas dobtenir des capacits fortes valeurs en gardant des

volumes faibles. Ce frein limine, d'ores et dj, la possibilit dintgration de capacits de lordre

du F, autrement dit, il ne sera pas possible, en l'tat, de raliser les capacits que lon peut

retrouver dans les diffrents filtres CEM des convertisseurs dlectronique de puissance. Pour

lheure, les spcialistes se penchent sur l'laboration de ce type de matriaux afin qu'ils puissent

disposer de performances beaucoup plus importantes pour pouvoir envisager leur insertion au

sein de dispositifs dlectronique de puissance autorisant, ainsi, une intgration de tous les

lments passifs dune structure. Un condensateur prsentant des imperfections, il faudra tenir

compte du fait que lutilisation de ces matriaux va engendrer des pertes dilectriques lies aux

proprits du matriau confront au champ lectrique. Des recherches visant laborer des

couches de matriau cramique pouvant offrir des performances satisfaisantes pour des

applications intgres ont t abordes par le laboratoire CIRIMAT en collaboration avec le

SATIE. A l'issue de ces travaux il est noter qu'un grand nombre de difficults sont encore

rgler ncessitant des moyens importants pour en venir bout et proposer des matriaux

industrialisables. Aujourdhui les aboutissements du dveloppement industriel se rsument

llaboration de plusieurs matriaux de type polyimide permettant en partie de rpondre aux

attentes de lintgration de llectronique de puissance. Ils ont lavantage dune souplesse


tude et concept

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étude et conception d'une nouvelle alimentation à découpage à