differentes methodes de dimensionnement d`une inductance

République Algérienne Démocratique et Populaire
Min istère de l’Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique
Université des Sciences et de la Technologie d’Oran
MOHAMED BOUDIAF
FACULTE DE GENE ELECTRIQUE
DEPARTEMENT D’ELECTROTECHNIQUE
Mémoire en vue de l'obtention du diplôme de Magister
Spécialité : Electrotechnique
Option : Ingénierie des plasmas et décharges électriques
Présenté par :
Mr NAMOUNE Abdelhadi
Thème :
DIFFERENTES METHODES DE DIMENSIONNEMENT
D’UNE INDUCTANCE PLANAIRE INTEGREE
Soutenance prévue le -- /-- /2010 devant le Jury composé de :
PRESIDENT
Belarbi Ahmed Wahid
Maître de Conférences, USTO MB
RAPPORTEUR
Hamid Azzedine
Maître de Conférences USTO MB
EXAMINATEUR
Kameche Mustapha
Professeur USTO MB
EXAMINATEUR
Allali Ahmed
Maître de Conférences USTO MB
EXAMINATEUR
Ouiddir Rabah
Maître de Conférences UDL SBA

iii
TABLE DES MATIERES
Dédicace…………………………………………………………………………………..
Remerciements…………………………………………………………………………...
Sommaire…………………………………………………………………………………
Liste des figures…………………………………………………………………………..
Liste des tableaux………………………………………………………………………...
Résumé……………………………………………………………………………………
Introduction générale……………………………………………………………………
i
ii
iii
vii
xii
xiii
1
Chapitre I : Généralités sur l’intégration des composants passifs
I.1 Introduction…………………………………………………………………………..
4
I.2 Les composants passifs………………………………………………………………
7
I.2.1 Resistance……………………………………………………………………….
7
I.2.2 Condensateur…………………………………………………………………...
9
I.1.3 Bobine…………………………………………………………………………..
10
I.2.3.1 Les effets de la bobine ……………………………………………........
12
I.3 Les techniques de l’intégration……………………………………………...……...
16
I.3.1 Intégration hybride ..............................................................................................
16
I.3.2 Structure des composants passifs hybrides………………………………….......
17
I.3.2.1 1ère famille ……………………………………………………………..
17
I.3.2.2 2ème famille ……………………………………………………….........
18
I.3.2.3 3ème famille ……………………………………………………….........
19
I.3.3 Intégration monolithique ………………………………………………….........
20
I.3.3.1 Introduction a l’intégration……………………………………………..
20
I.3.3.2 Réalisation monolithique………………………………………………..
21
I.4 Différentes structures d’intégration………………………………………………..
22
I.4.1 Structure spirale…………………………………………………………………
22
I.4.2 Forme toroïdale.....................................................................................................
24
I.4.3 Structure serpentin………………………………………………………............
25
I.5 Conclusion …………………………………………………………………………...
26
Chapitre II Intégration d’une inductance planaire
II.1 Les matériaux magnétiques …………………………………………………….....
27
II.1.1 Les ferrites………………………………………………………………….......
27
II.1.2 Les alliages ferreux……………………………………………………….........
28
II.1.3 Les alliages amorphes………………………………………………………….
29
II.1.4 Les nanocristallins………………………………………………………….......
30

iv
II.2 Choix de la topologie d’inductance………………………………………………..
31
II.2.1 Les topologies de composants magnétiques……………………………………
31
II.2.1.1 Le tore…………………………………………………………….........
31
II.2.1.2 Le méandre………………………………………………………..........
34
II.2.1.3 La spirale……………………………………………………………….
37
II.3 Matériaux conducteurs ………………………………………………………….....
40
II.3.1 Effet de peau ......................................................................................................
40
II.3.2 Effet de proximité………………………………………………………………
41
II.3.3 Effet résistif ……………………………………………………………………
42
II.3.4 Effet de bord ……………………………………………………………….......
43
II.3.5 Effet de l’entrefer………………………………………………………………
43
II.4 Propriétés électriques et physiques des inductances……………………………..
43
II.4.1 Les pertes résistives ……………………………………………………….......
45
II.4.2 Les pertes par couplage capacitif……………………………………………...
47
II.4.3 Les pertes par couplage inductif ………………………………………………
47
II.5 Choix du matériau………………………………………………………………….
47
II.6 Topologie des inductances ………………………………………………………....
48
II.7 Conclusion………………………………………………………………………......
49
Chapitre III Différentes méthodes d’évaluation d’une inductance
planaire
III.1 Introduction………………………………………………………………………..
50
III.2 Différentes méthodes mathématiques simplifiées………………………………..
50
III.2.1 Méthode de Wheeler…………………………………………………………..
51
III.2.1.1 Influence des paramètres géométriques sur l’inductance……….........
52
III.2.2 Méthode de Monomial ………………………………………………………..
54
III.2.2.1 Influence des paramètres géométriques sur l’inductance……….........
54
III.2.3 Méthode de Mohan ……………………………………………………….......
57
III.2.3.1 Influence des paramètres géométriques sur l’inductance……….........
57
III.2.4 Méthode de grover ……………………………………………………………
60
III.2.5 Méthode de Brayan …………………………………………………………...
61
III.3 Comparaison des différentes expressions de l’inductance ‘L’ ………………....
63
III.4 Présentation du micro convertisseur………………………………………….....
63
III.4.1 Le montage du micro-convertisseur abaisseur de tension…………………….
64
III.4.2 Formes d’onde du montage dévolteur…………………………………………
65
III.4.3 Calcul de VS et schéma équivalent………………………………………........
65

v
III.4.4 Calcul de IS ……………………………………………………………………
65
III.4.5 Ondulation de courant…………………………………………………….......
66
III.5 Le cahier de charge du micro-convertisseur ………………………………….....
67
III.6 Calcul de la valeur d’inductance de la bobine…………………………………..
68
III.6.1 Calcul de l’énergie stockée ...............................................................................
68
III.6.2 La densité volumique d’énergie………………………………………….........
69
III.6.3 Le calcul du volume……………………………………………………….......
69
III.7 Dimensionnement de la micro-bobine …………………………………………..
69
III.7.1 Les paramètres géométriques…………………………………………….........
69
III.7.1.1 Calcul du nombre de spires …………………………………………..
70
III.7.1.2 La largeur et la hauteur du conducteur …………………………........
71
III.7.1.3 Calcul de l’espace inter spires…………………………………...........
72
III.7.1.4 Calcul de la longueur totale du conducteur……………………..........
72
III.8 Conclusion………………………………………………………………………
73
Chapitre IV Modélisation et simulation d’une inductance planaire
IV.1 Conception des inductances planaires……………………………………………
74
IV.2 Modélisation d’une inductance intégrée ………………………………………....
75
IV.2.1 Présentation des paramètres électriques………………………………………
77
IV.2.1.1 Inductance série……………………………………………………….
77
IV.2.1.2 Résistance ..............................................................................................
79
IV.2.1.3 Capacités ……………………………………………………………...
80
IV.2.1.4 Courants induits : natures, origines et conséquences…………………
81
IV.3 Influence des paramètres électriques sur le comportement inductif d’une
inductance spirale planaire ……………………………………………………………..
82
IV.3.1 Influence de la fréquence sur la valeur de l’inductance série………………...
83
IV.3.2 Influence de la fréquence sur la valeur de l’épaisseur de peau………….........
86
IV.3.3 Influence de la fréquence sur la valeur de la résistance série…………….......
86
IV.4 Influence des paramètres géométriques sur l’inductance spirale planaire ……
89
IV.4.1 Influence de nombre de tours pour différentes valeur de l’espace inter
spire………………………………………………………………………………………..
89
IV.4.2 Influence de nombre de tours pour différentes valeur de la largeur de
conducteur…………………………………………………………………………………
91
IV.5 Le facteur de qualité ……………………………………………………………...
93

vi
IV.5.1 Expression de Q pour une inductance intégrée………………………………..
94
IV.5.2 Influence des paramètres électriques et géométriques sur le facteur de
qualité……………………………………………………………………………………...
96
IV.6 Les paramètres technologiques………………………………………………......
99
IV.7 Modélisation en PI d’inductance à partir des paramètres S et Y et Z…………
101
IV.7.1 Notion de paramètres S ……………………………………………………….
101
IV.7.2 Représentation graphique des S-paramètres, Y-paramètres et Z
paramètres…………………………………………………………………………………
106
VI.7.3 Influence de la fréquence sur les paramètres électriques (L, Q, Rsub, Csub, Cox
et Cp)………………………………………………………………………………………
110
VI-8 Conclusion………………………………………………………………………….
114
Conclusion générale……………………………………………………………………...
115
Références bibliographiques…………………………………………………………….
117
Annexe………………………………………………………………………………….....
125