Conception et caractérisation de micro-bobine planaire intégrée dédiée à la conversion de l'énergie

Abstract

Le travail présenté dans cette thèse s'inscrit dans le cadre de la miniaturisation et l’intégration des composants magnétiques comme les inductances, utilisées dans les convertisseurs DC-DC et les circuits haute fréquence. L’intégration des dispositifs d'électronique de puissance est reconnue comme un facteur fiabilisant pour un système donné. Elle permet non seulement de réduire les densités volumiques mais aussi d’accroître les performances, d'améliorer la modularité et de diminuer les coûts. Ce travail présente la conception et la modélisation d’une micro-bobine planaire spirale circulaire à largeur de conducteur constante et de bobine à largeur variable intégrés dans un micro-convertisseur de type Boost. Premièrement, on définit la géométrie de la micro-bobine tout en choisissant le matériau magnétique convenable et la fréquence de fonctionnement nécessaire. Le dimensionnement de l’inductance intégrée passe par l’identification de tous ses paramètres géométriques qui sont reliés entre eux par un ensemble d’équations dédiées à ce type de topologie, ainsi qu’à la résolution des problèmes liés au substrat et au noyau utilisé (effet de peau, effet de proximité...). Pour contourner les effets parasites, tels les effets de peau dans les conducteurs, les effets capacitifs entres conducteurs proches et les effets cumulés du champ magnétique au centre de la spirale, nous nous sommes proposer d’étudier une inductance spirale circulaire à largeur des spires variable pour diminuer ces effets et compenser l’augmentation de sa longueur. Ainsi, cette approche non seulement diminue les pertes par effet joule mais améliorer aussi les performances du convertisseur en haute fréquence. A l’aide du logiciel COMSOL Multiphysiques, nous avons étudié le comportement électromagnétique 2D et 3D de la bobine planaire. Nous avons analysé et évalué l'impact de la variation de la largeur du conducteur sur la répartition des densités de courant, du flux magnétique, des lignes de champ magnétique et du potentiel électrique dans la bobine planaire. Pour valider la performance de notre micro-bobine, nous l’avons intégré dans un micro-convertisseur DC-DC dédié à des applications de faible puissance

The work presented in this thesis is part of the miniaturization and integration of magnetic components such as inductors used in DC-DC converters and high-frequency circuits. The integration of power electronics devices is recognized as a reliability factor for a given system. It not only reduces volume densities but also increases performance, improves modularity, and decreases costs. This work presents the design and modeling of a circular spiral planar micro-coil with constant conductor width and variable-width coil integrated into a micro-converter of the Boost type. First, we define the geometry of the micro-coil while choosing the suitable magnetic material and the necessary operating frequency. The sizing of the integrated inductor goes through the identification of all its geometric parameters which are linked together by a set of equations dedicated to this type of topology, as well as the resolution of the problems related to the substrate (skin effect, proximity effect ...). To circumvent parasitic effects, such as skin effects in conductors, capacitive effects between nearby conductors, and the cumulative effects of the magnetic field at the center of the spiral, we have proposed to study a circular spiral inductor with variable coil width, to reduce these effects and compensate for the increase in its length , while setting an initial value of minimum resistance. Thus, this approach not only decreases the losses by the Joule effect but also improves the performance of the high-frequency converter. Using COMSOL Multiphysics software, we studied the 2D and 3D electromagnetic behavior of the planar coil. We have analyzed and evaluated the impact of the variation of the width of the conductor on the distribution of densities of the current, the magnetic flux, of the magnetic field lines, and the electric potential in the planar coil. To validate the performance of our micro-coil, we have integrated it into a DC-DC micro-converter dedicated to low-power applications.