Conception et réalisation de transformateurs intégrés pour les alimentations de faible puissance

Design and Realization of Integrated Transformers for Low Power DC-DC Converters

• Auteur / Autrice : Maxime Semard
• Direction : Charles Joubert, Christian Martin, Cyril Buttay
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance le 07/06/2018
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Électronique, électrotechnique, automatique (Lyon)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Claude Bernard (Lyon ; 1971-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire AMPERE (Ecully, Rhône) - Ampère, Département Energie Electrique
• Jury : Président / Présidente : Afef Kedous-Lebouc
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Charles Joubert, Hervé Morel
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Florence Anne Razan, Thierry Talbert

Mots clés

Mots clés contrôlés

Inductance

Transformateurs électroniques

Électronique de puissance

Électrotechnique

Mots clés libres

Génie électrique

Electronique de puissance

Transformateur

Inductance

Electrical Engineering

Power Electronics

Transformer

Inductor

Résumé

Le chapitre 1 introduit le sujet et son contexte. Les verrous sont identifiés.Le chapitre 2 fait l’état de l’art sur la topologie des enroulements constituants le transformateur.Les points forts et les points faibles des différentes topologies sont discutés. Les différents matériaux nécessaires à la réalisation de transformateurs (conducteur, magnétique et isolant) satisfaisant les exigences sur la haute température et la haute fréquence sont identifiés.Enfin, je présenterai la méthode de fabrication LTCC qui constitue une alternative à la technologie développée dans ce mémoire.Le chapitre 3 traite de la modélisation et de la conception des transformateurs en définissant la structure et ses degrés de libertés. L’utilisation des calculs analytiques et de simulations par la méthode des éléments finis permettent d’évaluer des transformateurs à enroulements entrelacés et à enroulements concentriques avec une bonne précision. Le chapitre 4 présente les procédés technologiques permettant la fabrication collective de transformateurs sur substrat magnétique. Il s’agit de l’isolation du substrat, de la croissance électrolytique des enroulements et de l’assemblage final du transformateur.Le chapitre 5 présente les méthodes de caractérisations de différentes propriétés du transformateur : résistance des enroulements en continu, inductances propres d’un enroulement et capacité d’isolement entre enroulements primaire et secondaire. Ces caractérisations permettent de confirmer les calculs analytiques et les hypothèses sur lesquelles ils reposent ainsi que les simulations magnétostatique et électrostatique par éléments finis.Le chapitre 6 permettra de conclure sur les travaux réalisés dans le cadre de cette thèse et d’ouvrir des perspectives pour des travaux futurs

Chapter 1 introduces the topic and its associated context. Locks are identified.Chapter 2 is reviewing state of the art of winding topologies. Their strengths and weaknesses are discussed. Then, materials required for transformers microfabrication (conductors, magnetic material and insulation material) satisfying both high temperature and high frequency criteria are identified. Finally, LTCC fabrication process, an alternative to process used here, is presented.Chapter 3 discuss modelisation and design of transformers by defining the structures and its degrees of freedom. Analytical expressions and finite element analysis allows evaluation of interleaved transformer and tapped transformer within a good accuracy.Chapter 4 present technological process involved in batch-processed fabrication of transformers onto magnetic substrate. Processes are substrate insulation, conductors electrolytic growth of windings and final assembly of transformers.Chapter 5 present characterization methods of several properties of the transformers such as DC winding resistance, self-inductances of windings and isolation capacitance between primary and secondary winding. These characterizations confirm analytical expressions and their underlying hypothesis as well as magnetostatic and electrostatic finite element analysis.Chapter 6 concludes on work achieved during this PhD thesis and opens to further perspectives