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HAL Id: tel-00339320 https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00339320 Submitted on 17 Nov 2008 HAL is a multi-disciplinary open access archive for the deposit and dissemination of sci- entific research documents, whether they are pub- lished or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers. L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est destinée au dépôt et à la diffusion de documents scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, émanant des établissements d’enseignement et de recherche français ou étrangers, des laboratoires publics ou privés. Conception d’élements passifs magnétiques pour convertisseurs de faible puissance Alain Salles To cite this version: Alain Salles. Conception d’élements passifs magnétiques pour convertisseurs de faible puissance. Micro et nanotechnologies/Microélectronique. Université Paul Sabatier - Toulouse III, 2008. Français. tel- 00339320 T TH HÈ ÈS SE E En vue de l'obtention du D DO OC CT TO OR RA AT T D DE E L L’ ’U UN NI IV VE ER RS SI IT TÉ É D DE E T TO OU UL LO OU US SE E Délivré par l'Université Toulouse III - Paul Sabatier Discipline ou spécialité : Conception des Circuits Microélectroniques et Microsystèmes JURY François Olivié: Président - Professeur à l'Université Paul Sabatier Roberto Giral : Rapporteur - Professeur à l'Université Rovira i Virgili de Tarragone Mohamed Benzohra : Rapporteur - Professeur à l'Université de Rouen Pierre Merle : Professeur à l'Université de Montpellier II Alain Lamure : Membre invité - Professeur à l'INPT Corinne Alonso : Directrice de Thèse - Professeur à l'Université Paul Sabatier Bruno Estibals : Co-directeur de Thèse - Maître de conférence à l'Université Paul Sabatier Ecole doctorale : GEET Unité de recherche : UPR 8001 Directrice de Thèse : Corinne Alonso Co-directeur de Thèse : Bruno Estibals Présentée et soutenue par Salles Alain Le 26 Septembre 2008 Titre : Conception d’éléments passifs magnétiques pour convertisseurs de faible puissance Remerciements Ce manuscrit présente mes travaux de thèse réalisés au LAAS-CNRS. Je remercie les directeurs successifs du LAAS-CNRS, Malik GHALLAB et Raja CHATILA, de m’avoir permis d’effectuer mes recherches au sein du laboratoire. J’adresse également mes remerciements aux responsables successifs des groupes M2D, Gérard SARRABAYROUSE et Pierre TEMPLE-BOYER, et ISGE, Jean-Louis SANCHEZ et Maryse BAFFLEUR, de m’avoir accueilli. Je remercie François OLIVIE d’avoir présidé le jury de ma thèse. Je tiens à adresser mes remerciements à Mohamed BENZOHRA et Roberto GIRAL pour avoir accepter la tâche de rapporteur, ainsi qu’aux autres membres du jury : Pierre MERLE et Alain LAMURE pour leur présence et leur commentaires sur la qualité de mes travaux. Ma plus grande reconnaissance va vers mes encadrants, Corinne ALONSO et Bruno ESTIBALS, qui m’ont guidé pendant mes années passées au LAAS-CNRS. Je leur suis reconnaissants de m’avoir amené vers toujours plus de curiosité scientifique et toujours plus de rigueur et de méthode dans mon travail. La confiance qu’ils m’ont accordée et les moyens qu’ils ont su mettre à ma disposition, m’ont permis de travailler dans les meilleures conditions possibles et de fournir en retour un travail, je l’espère, pertinent. Les moments passés à voyager et les apéros resteront toujours de grands souvenirs et ont participé à créer un groupe solide. Ces travaux n’auraient pas pu être menés à bien sans la disponibilité, l’amitié et la compétence de l’ensemble du personnel de l’équipe TEAM : David BOURRIER et Monique DILHAN, les acteurs majeurs dans la mise au point du procédé technologique de réalisation d’inductances ; le couple d’Inséparables, Sébastien PINAUD et Ludovic SALVAGNAC, toujours disponibles pour trouver un petit créneau « d’évap » quand il le fallait ; David COLIN et Hugues GRANIER qui ont souffert pour monter et bonder autant de composants en un si court délai ; Franck CARCENAC qui a pris en main dès le début ma formation aux techniques microélectroniques ; Monique BENOIT, Véronique CONEDERA, Laurent MAZENQ, Pierre-François CALMON, Laurent JALABERT, Laurent BOUSCAYROL et Bernard ROUSSET dont les conseils tout au long de la préparation des échantillons ont été extrêmement profitables. Qu’ils trouvent ici, l’expression de ma gratitude pour leur aide et tous les bons moments passés en leur compagnie. Mes remerciements vont également à mes compagnons de thèse. Tout d’abord, le guide : Angel CID-PASTOR (dit « Doctor² ») qui par son enthousiasme, son humour, son soutien et ses conseils m’ont permis d’y voir plus clair dans les problèmes de « potencìa » et de garder le cap quand les problèmes s’accumulaient. Venga tío ! Visca Barça !!! Un grand merci aux deux Fred et Anne HEMERYCK pour les bons moments passés au bureau. Egalement, je remercie les stagiaires et thésards de l’équipe de Corinne et Bruno : Philippe ARTILLAN (mon Padawan !!), Cédric CABAL (Lou Cab), Stéphane PETIBON, Adan SIMON MUELA, Lionel SEGUIER, Jean ABBOUD, Jean-François REYNAUD. Je vous souhaite un bel avenir et bon courage pour vos soutenances !! Je remercie les permanents du laboratoire pour les discussions et le partage de différents points de vue qui permettent de progresser : Pierre ALOÏSI, Vincent BOITIER, Magali BRUNET, Henri CAMON, Bruno JAMMES, Jérôme LAUNAY, Laurent JALABERT et Liviu NICU (tous deux à l’origine de mon venture au LAAS)….et pendant une trop courte période Luis MARTINEZ SALAMERO. Un grand merci aux amis de toujours : David PARYL, Jérôme et EME (BBBB) et Olivier SANCHEZ (Pancho) pour leur soutien et leur secousses quand le moment l’imposait !!! Remerciements Finalement, je vais adresser mes plus profonds remerciements à ma femme Julie pour m’avoir supporté (dans tous les sens du terme) pendant cette période très particulière de la vie qu’est la thèse. Elle a été sans conteste ma meilleure découverte de ces trois ans et son amour a été un phare quand le doute s’installait. Je remercie enfin mes parents qui m’ont permis d’arriver jusqu’ici et dont le soutien indéfectible ne pouvait m’amener qu’à la réussite. Je remercie également ma belle-famille pour son soutien et leurs prières. A vous, ma famille et mon enfant à venir, je dédie ce travail en preuve de ma reconnaissance et de mon affection. Résumé de la thèse Résumé de la thèse : «Conception d’éléments passifs magnétiques pour convertisseurs de faible puissance» Alain SALLES Directrice de thèse : Corine Alonso, 7 Avenue du Colonel Roche, 31077 Toulouse Co-Directeur de thèse : Bruno Estibals, 7 Avenue du Colonel Roche, 31077 Toulouse Mots-cléfs : Microélectronique, Inductances, Intégration, Convertisseurs, Puissance, DC/DC, Couplage magnétique. Cette thèse se place dans le contexte d’alimentation des systèmes électroniques nomades fonctionnant sous faible tension et faible courant. Le dimensionnement et la réalisation d’éléments passifs magnétiques intégrés, pour le stockage d’énergie à l’échelle de la commutation y est abordé pour tenir compte de la taille, la position de l’alimentation de puissance par rapport au système à alimenter ainsi que de son rendement et sa densité de puissance. De plus, face à la demande de systèmes rapides, à faible encombrement et finement régulés, les fréquences de commutation tendent naturellement à augmenter. L’intégration monolithique des composants des convertisseurs de puissance est une des solutions plausibles. Toutefois, la réalisation de tels composants pose actuellement un réel défi technologique. De nombreuses équipes travaillent depuis plus de trente ans sur le problème de l’intégration de composants magnétiques sur silicium. Ces réalisations font appel aux techniques de réalisation microélectroniques, tel la croissance électrolytique, pour le dépôt des matériaux avec des épaisseurs contrôlées. L’objectif aujourd’hui est de réaliser une inductance de 1µH capable de supporter 1W avec des tensions de l’ordre du volt, dans une gamme de fréquence allant de 1MHz à 10MHz. Pour ces raisons de compacité et pour garantir une plage fréquentielle de fonctionnement suffisante, nous avons travaillé avec des structures inductives planaires spirales, similaires par la forme à celles utilisées dans le domaine de l’intégration pour les radiofréquences (RF). L’étude des phénomènes physiques liés au caractère inductif et résistif de spirales planaires à partir d’équations et d’une définition géométrique normalisée du composant a abouti vers la mise en place d’outils d’étude numérique permettant d’analyser les liens entre les paramètres géométriques et les paramètres électriques du composant. Il est alors apparu que les dimensions géométriques nécessaires à l’accomplissement du cahier des charges précédent (notamment l’objectif de très faible résistance), se heurtaient aux limites des possibilités de réalisation technologiques (facteur de forme des conducteurs, résolution spatiale). Dans le but, de dépasser ces limites, nous nous sommes intéressés à l’association série/parallèle d’inductances magnétiquement couplées. Les simulations ont démontrées qu’une marge de manœuvre existait, permettant une optimisation des performances électriques des composants. Un procédé technologique basé sur les techniques MEMS de résine épaisse et de croissance électrolytique de cuivre, a été développé pour valider les modélisations précédentes. Ce procédé permet de réaliser de manière générique des inductances planaires classiques ainsi qu’un empilement de plusieurs bobines connectées entre elles ou non, sur un substrat silicium. Le procédé a également été mis au point sur substrat Pyrex® pour supprimer les courants induits dans le substrat, sources de perturbations pour le comportement fréquentiel de l’inductance et de la résistance. Un banc de caractérisation impédance métrique a également été conçu afin de déterminer les limites du fonctionnement fréquentiel uploads/Geographie/ manuscrit-these-alain-salles.pdf