Modélisation analytique et outils pour l'optimisation des transformateurs de puissance haute fréquence planars

par Abdelhadi Besri

Thèse de doctorat en Sciences et technologie industrielles

Sous la direction de Jean-Pierre Kéradec et de Benoit Delinchant.

Le président du jury était Charles Joubert.

Le jury était composé de Jean-Pierre Kéradec, Benoit Delinchant, Herve Stephan.

Les rapporteurs étaient Francois Costa, Olivier Deblecker.


  • Résumé

    Avec un encombrement minimal et rendement de 99% les transformateurs planars haute fréquence sont des solutions technologiques importantes pour les systèmes de conversion et de conditionnement de l’énergie électrique en électronique de puissance. L’objectif de l’étude consiste à rechercher un modèle du composant permettant à la fois de simuler son comportement dans un circuit d’électronique de puissance et d’optimiser ses performances lors de sa conception. Les modèles proposés prennent en compte les propriétés physiques et géométriques du composant. Les validations sont basées sur des confrontations avec les mesures. Une autre motivation forte de ce travail est que les modélisations numériques doivent prendre en compte simultanément les effets des courants induits et les capacités parasites, ce qui conduit, en haute fréquence, à des besoins prohibitifs en termes de capacité mémoire ou de temps de calcul. En se limitant aux transformateurs planar. La modélisation (dite LEEC) présentée ici s’appuie sur une discrétisation à échelle intermédiaire : spire par spire, c’est-à-dire couche par couche. Elle assemble deux approches analytiques déjà introduites par l’équipe : la première traite les aspects électrocinétiques (incluant les courants induits) et magnétiques et l’autre les aspects électrostatiques. Les circuits à constantes localisées basés sur la méthode LEEC montrent un très bon accord avec toutes les mesures jusqu’à 40 MHz. Des outils numériques sont aussi développés pour faciliter l’obtention de ces différents circuits en partant : soit de la description du composant, soit de mesures d’impédances. Pour compléter, la représentation des capacités d’un transformateur quelconque, développée en plusieurs étapes par l’équipe, est résumée et des précautions expérimentales originales appliquées à l’impédancemétrie sont exposées dans le détail. D’autres travaux visant à élargir le champ d’application de la méthode LEEC sont également présentés.

  • Titre traduit

    High Frequency Planar Transformers Optimization


  • Résumé

    With a small footprint and volumes and 99% efficiency the high frequency Planar transformers are solutions for major power conversion systems in power electronics. The objective of the study is to find Models to both simulate its behavior in a power electronics circuit and optimize its performance during its design. The proposed models take into account the physical and geometrical properties of the component. Validations are based on confrontation with measurements. Another strong motivation of this work is the numerical modeling must take into account both the effects of induced currents and parasitic capacitances, this level of modeling needs prohibitive sizes in terms of memory and computation time. Modeling (called LEEP) presented here is based on a intermediate scale discretization: turn by turn (conducting layer by conducting layer). It combines two analytical approaches already introduced by our team: the first deals with aspects electrokinetic (including induced currents) and magnetic and electrostatic aspects. Lumped circuits based on the method LEEC show a very good agreement with measurements up to 40 MHz. Software tools are also being developed to facilitate the achievement of these circuits either from the component description, or impedance measurements. In order to complete the modeling the capacitive behavior of any transformer is presented (historical development by our team is also shown in details). New experimental precautions and methodology for impedance measurements is detailed in this work. Other works aiming to extend the LEEC model are also shown.


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