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En vue de l'obtention du
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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 des composants réalisés qui ont permis de valider les
performances des composants Ce travail ouvre de nombreuses perspectives dans la réalisation de composants
magnétiques intégrés, assurant des fonctions électroniques connues et nouvelles, notamment en démontrant la
faisabilité de transformateurs avec différents rapports de transformation ainsi que de fonctions de filtrage
performant.

Sommaire :
-4-
INTRODUCTION GENERALE 8
CHAPITRE 1 : PROBLEMATIQUE ET ETAT DE L’ART DES
INDUCTANCES. 11
1. INTRODUCTION 11
2. BESOINS ÉNERGÉTIQUES DE L’ÉLECTRONIQUE PORTABLE ET
EMBARQUÉE. 12
II-1. Rappels historiques. 12
II-2. Indicateurs économiques de l’électronique portable. 14
II-3. Exemple d’électronique portable. 16
II-4. Un exemple d’électronique embarquée : l’automobile. 17
3. LES ÉTAGES D’ADAPTATION POUR LA CONVERSION DE PUISSANCE. 18
III-1. De l’architecture généralisée à l’architecture distribuée. 18
III-2. Principales architectures utilisées pour les convertisseurs « Point of Load ». 22
III-2-1. Structure non-isolée Buck, Buck-Boost et Buck synchrone 22
III-2-2. Structures Buck multiphase - Interleaving 24
III-2-3. Convertisseurs isolés 25
III-2-4. Synthèse 26
4. LES COMPOSANTS UTILISÉS DANS LES POL. 26
IV-1. Les composants actifs. 26
IV-2. Les composants passifs. 28
IV-2-1. Les condensateurs 29
IV-2-2. Les inductances 32
5. ETAT DE L’ART DE L’INTÉGRATION DES INDUCTANCES. 34
V-1. Les principales topologies d’inductance 35
V-2. Vers l’intégration des convertisseurs. 40
V-3. Synthèse. 41
6. CONCLUSION 42
CHAPITRE 2 : METHODOLOGIE DE CONCEPTION
OPTIMISEE D’INDUCTANCE INTEGREE. 44
1. INTRODUCTION 44
2. LES PHÉNOMÈNES PHYSIQUES INDUISANT UN COMPORTEMENT
INDUCTIF D’UNE SPIRALE PLANAIRE. 45
II-1. Etablissement d’un modèle analytique simple pour le dimensionnement d’inductances
circulaires 47
II-2. Influence de la géométrie sur le comportement inductif d’une spire planaire 51
II-2-1. Validation des modèles 51
II-2-2. Etude du ratio R/L en fonction des paramètres géométriques 52
- Etude de l’influence du nombre de tours N pour un espacement s donné 52
- Etude sur l’espacement s à nombre de tours N donné 53