Integration of a 3.3 kW, AC/DC bidirectional converter using printed circuit board embedding technology

par Rémy Caillaud

Thèse de doctorat en Génie électrique

Sous la direction de Cyril Buttay.

Soutenue le 17-01-2019

à Lyon , dans le cadre de École doctorale Électronique, électrotechnique, automatique (Lyon) , en partenariat avec Institut national des sciences appliquées de Lyon (Lyon) (établissement opérateur d'inscription) , AMPERE - Génie Electrique, Electromagnétisme, Automatique, Microbiologie Environnementale et Applications (Rhône) (laboratoire) , Ampère (laboratoire) et de Ampère, Département Méthodes pour l'Ingénierie des Systèmes (équipe de recherche) .

Le président du jury était Éric Labouré.

Le jury était composé de Cyril Buttay, Éric Labouré, Eckart Hoene, Mark Johnson, Florent Morel, Maeve Duffy.

Les rapporteurs étaient Eckart Hoene, Mark Johnson.

  • Titre traduit

    Intégration d'un convertisseur 3.3 kW, AC/DC, bidirectionnel en utilisant la technologie d'enfouissement PCB


  • Résumé

    Les énergies fossiles (Pétrole, Charbon, …) représentent 80 % des énergies consommés. Malheureusement pour l’environnement, elles sont les plus polluantes. Le remplacement actuel des énergies fossiles permet au marché de l’électronique de puissance de grandir d’année en année. L’électronique de puissance permet d’adapter l’énergie électrique à son utilisation finale. Dans la pratique, l’adaptation de l’énergie électrique utilise des convertisseurs. En plus de respecter le volume, l’efficacité et la fiabilité imposés par le cahier des charges pour chaque application, l’électronique de puissance doit aussi permettre de réduire sensiblement les coûts. Le convertisseur doit assurer le fonctionnement électrique du circuit, le support mécanique des composants et la gestion thermique. Le package utilisé par les nouveaux composants à grand gap limite leurs performances. L’intégration des convertisseurs doit développer des méthodes d’interconnexion permettant d’éliminer ce package. L’objectif de la recherche sur l’intégration des convertisseurs est de repousser les limites imposées par un cahier des charges standard tout en assurant ces 3 fonctions principales. Parmi les nombreuses techniques d’intégration, le circuit imprimé (PCB) est mature industriellement, permet la fabrication collective et un assemblage automatisé. L’intégration utilisant le PCB a développé la technique d’enfouissement de puce avec laquelle la puce est directement enfouie dans le PCB sans son package. Cette thèse va étudier la méthode d’enfouissement pour les autres composants nécessaires à la réalisation d’un convertisseur (Condensateurs, Composants Magnétiques). Une optimisation du convertisseur qui doit être réalisé permet de prendre en compte les avantages de cette nouvelle technologie. Un prototype de convertisseur intégré a été réalisé avec des composants utilisant cette technologie.


  • Résumé

    With the endangering of the environment due to the use of fossil fuels, the power electronics market is growing through the years. The number of applications is increasing in numerous field as, for example, transport (electric car, "more electric" aircraft) or energy (photovoltaic, smart grid). Beyond meeting the volume, efficiency and reliability specifications for each application, power electronics should also reduce substantially costs. Today, the managing of the electric energy uses power electronic converters. The conception of a converter is a multiphysic problem. The converter has to ensure electrical functionality, mechanical support and proper thermal management.The new wide-band gap components are limited in performance by their package. The integration of a converter should use new interconnection methods to avoid the use of packaged components. The trend is to integrate the maximum of components into a single system. This integration can offer benefits such as size and weight reduction, cost saving and reliability improvement by managing the complexity and the high density of interconnection. Among many integration technologies available, Printed Circuit Board (PCB) is well known in the industry, allowing mass production with automated manufacturing and assembly. The PCB integration was developed with the “Die Embedding” technology in which a bare die in embedded directly in the PCB to not use package. This thesis studied the embedding technology on others components necessary to the realization of a converter (Capacitors, Magnetics, …). An optimization of the converter is done taking into account the advantages of this new technology. A prototype of an AC/DC bidirectional converter fully integrated using this technology was realized.


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