Intégration des composants passifs en électronique de puissance

République Algérienne Démocratique et Populaire
Ministère 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’ELECTRONIQUE
Mémoire en vue de l'obtention du diplôme de Magister
Spécialité : Electronique
Option : Composants et Système de la Microélectronique Avancée
Présenté par :
Mme TAIBI FATNA
Thème :
Intégration des composants passifs en électronique de puissance
(Application : Intégration d’une inductance spirale)
Soutenance prévue le 20 / 04 /2010 devant le Jury composé de :
PRESIDENT : Boutchacha Touati, Professeur, USTO MB
RAPPORTEUR : Hamid Azzedine, Maître de Conférences USTO MB
CO- RAPPORTEUR : Taib Brahimi Abdelhalim, Professeur, USTO MB
EXAMINATEUR : Lounis Mourad, Maître de Conférences USTO MB
EXAMINATEUR : Ouiddir Rabah, Maître de Conférences UDL Sidi Belabes

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 : L’intégration des composants passifs
appliquée à l’électronique de puissance
I.1 Introduction………………………………………………………………………......
5
I.2 Un composant actif /passif……………………………………………………….
5
I.3 Les composants passifs…………………………………………………………….
6
I.4 Le problème des composants passifs…………………………………………
6
I.5 Etat de l’art……………………………………………………………………………..
11
I.5.1 L'intégration hybride……………………………………………………………………….
11
I.5.1.1 Empilement de fonctions…………………………………………………………
12
I.5.1.2 Regroupement de fonctions……………………………………………………..
12
I.5.2 L'intégration monolithique……………………………………………………………….
13
I.5.2.1 Introduction a l’intégration sur silicium………………………………….
13
I.5.2.2 Les techniques de dépôt…………………………………………………………..
14
I.6 Les contraintes de l’intégration………………………………………………..
16
I.6.1 Les matériaux…………………………………………………………………………………..
16
I.7 Procédure d’intégration………………………………………………………......
22
I.8 Conclusion………………………………………………………………………..…...
23
Chapitre II État de l’art sur les bobines intégrées et
techniques associées
II.1 Introduction……………………………………………………………………........
25
II.2 Problématique de l’intégration de puissance…………………………….
25
II.2.1 Etage de conversion……………………………………………………………………….
26

iv
II.2.2 Cas des inductances……………………………………………………………………….
27
II.2.2.1 Les inductances solénoïdes…………………………………………………….
28
II.2.2.2 Les inductances à structure « mixte »…………………………………….
29
II.2.2.3 Les inductances spirales…………………………………………………………
30
II.3 Aperçu des dernières avancées des systèmes de conversion
intégrés………………………………………………………………………………………
32
II.4 Conception et modélisation des inductances planaires………………
36
II.4.1 Inductance série…………………………………………………………………………….
38
II.4.2 Résistances…………………………………………………………………………………..
41
II.4.3 Capacités………………………………………………………………………………………
42
II.4.4 Facteur de qualité…………………………………………………………................... .
43
II.5 Procédé technologique développé pour la fabrication de
structures inductives planaires intégrées……………………………………….
46
II.5.1 Étapes de fabrication relatives aux grandes familles de micro
bobine…......................................................................................................................
46
II.6 Conclusion……………………………………………………………………….....
48
Chapitre III Le micro convertisseur et dimensionnement
de bobine
III.1 Introduction…………………………………………………………………………
50
III.2 Etudes et réalisations de convertisseurs élémentaires……………...
50
III.2.1 Exemple de conception et réalisation d’un convertisseur DC-DC…….….
50
III.2.1.1 Rappels du cahier des charges…………………………………………….
50
III.2.1.2 Calcul de la valeur d’inductance de la bobine……………………….
52
III.2.1.3 Calcul de la valeur de capacité du condensateur……………………
54
III.3 Choix des matériaux……………………………………………………………..
55
III.4 Dimensionnement de la micro bobine…………………………………….
56
III.4.1 l’énergie stockée……………………………………………………………………………
57
III.4.2 Etablissement d’un modèle analytique simple pour le
dimensionnement d’inductances circulaires……………………………………………………
58

v
III.4.3 Conducteur…………………………………………………………………………………..
60
III.4.4 Le circuit magnétique…………………………………………………………………..
63
III.5 Extraction des paramètres…………………………………………………….
64
III.5.1 Notion de paramètres S et Y……………………………………………………………
64
III.6 Conclusion………………………………………………………………………....
70
Chapitre IV Etude paramétrique
IV.1 Introduction………………………………………………………………………....
72
IV.2 Influence des paramètres géométriques sur le comportement
inductif d’une inductance spirale planaire……………………………………..
72
IV.2.1 Influence du nombre de tours sur la valeur de l’inductance….................
72
IV.2.2 Influence de la fréquence sur la valeur de la résistance de la bobine…..
74
IV.2.3 Influence du diamètre extérieur sur la valeur de l’inductance……………
74
IV.2.4 Influence de l’espace inter spires sur la valeur de l’inductance…………..
75
IV.2.5 Influence de l’espace inter spires et le nombre de tours sur la
résistance série…………………………………………………………………………………………….
76
IV.2.6 Influence de l’épaisseur de conducteur sur la résistance de la bobine…
77
IV.2.7 Validation des résultats………………………………………………………………….
78
IV.3 Comportement électrothermique…………………………………………...
80
IV.4 Pertes métalliques dans les inductances………………………………...
80
IV.4.1 Solution pour réduire les pertes « substrat »…………………………………….
82
IV.4.2 Solutions pour réduire la résistance série………………………………………..
82
IV.5 Le facteur de qualité……………………………………………………………….
82
IV.5.1 Influence de la fréquence sur la valeur du facteur de qualité………………
85
IV.5.1.1 pour différentes valeurs du nombre de tours…………………………
85
IV.5.1.2 pour différentes largeurs du conducteur……………………………..…
85
IV.5.1.3 pour différentes épaisseurs du conducteur……………………………
86
IV.5.1.4 pour différentes valeurs de l’espace inter spires…………………….
87

vi
IV.5.2 Influence du matériau du conducteur sur le facteur de qualité…………..
88
IV.6 Influence du noyau magnétique sur la valeur de l’inductance……
89
IV.6.1 simulation de l’inductance spirale circulaire…………………………………….
91
IV.6.1.1 Différentes configurations………………………………………………....
91
IV.7 Simulation du comportement de la bobine dans différentes
configurations…………………………………………………………………………….
92
IV.7.1 Simulation magnétique………………………………………………………………….
93
IV.7.1.1 Self à l’air (f= 500Khz)…………………………………………………………
93
IV.7.1.2 Self en top avec plan magnétique (f= 500Mhz)……………………..
94
IV.7.1.3 Self en sandwich avec deux plans magnétiques (f=500Mhz)….
97
IV.7.2 Simulation magnétostatique en 2D………………………………………………….
100
IV.7.3 Simulation magnétodynamique en 3D…………………………………………….
102
IV.8 Conclusion……………………………………………………………………………
103
Conclusion générale……………………………………………………....................
105
Annexe………………………………………………………………………………………..
108
Références bibliographiques…………………………………………..…………….
115