Fabrication et caractérisation de micro-transformateurs planaires à couches magnétiques

Fabrication and characterization of magnetic planar micro transformer

• Auteur / Autrice : Faouzi Kahlouche
• Direction : Jean-Jacques Rousseau, Jean-Pierre Chatelon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Optique, Photonique, Hyperfréquences
• Date : Soutenance le 10/06/2014
• Etablissement(s) : Saint-Etienne
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Ingénierie Santé (Saint-Etienne)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Telecom Claude Chappe
• Jury : Président / Présidente : Bruno Allard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Jacques Rousseau, Jean-Pierre Chatelon, Eric Labouré, Olivier Bonnaud, Stéphane Capraro

Mots clés

Mots clés contrôlés

Circuits intégrés monolithiques hyperfréquence

Matériaux magnétiques

Transformateurs électriques

Mots clés libres

Transformateurs planaires

Matériau magnétique

Micro-fabrication

Face-To-Face

Entrelacé

Caractérisation LCRmètre

VNA

Planar transformer

Magnetic material

Micro fabrication

Face-To-Face

Inter-winding

RLC-meter characterization

VNA

Résumé

Dans l’aéronautique et plus précisément dans les avions tout électrique, l’objectif visé est de réduire les masses et volumes des composants. Pour cela, les actionneurs électriques remplacent progressivement les actionneurs hydrauliques et mécaniques. Ces actionneurs électriques ont besoin d’être commandés ; le projet THOR (projet européen dans lequel s’inscrit cette thèse) vise entre autres à développer un étage de commande permettant de piloter des interrupteurs de puissance. Les interrupteurs étant situés à proximité directe de l’étage driver et les tensions de sorties pouvant atteindre 3 kV, une isolation galvanique est obligatoire. Anciennement, les optocoupleurs étaient utilisés pour assurer l’isolation galvanique dans les étages de commande. Cependant, afin de pouvoir utiliser ces composants dans un environnement thermique contraignant et assurer une meilleure intégration, les opto-coupleurs ne sont plus adaptés et sont remplacés par des transformateurs. Dans ce contexte, s’inscrivent les travaux de cette thèse où l’objectif principal est de développer, réaliser et caractériser des transformateurs planaires intégrables répondant au cahier des charges THOR. Dans un premier temps, un état de l’art sur les différentes technologies de fabrication de transformateurs planaires est établi avant de choisir la technologie et les matériaux utilisés dans ces composants. Dans un deuxième temps, on s’intéresse au choix et au dimensionnement du transformateur. Deux structures répondant au cahier des charges THOR ont été retenues et dimensionnées à l’aide d’un logiciel de simulation (HFSS) : une structure entrelacée et une structure ‘face to face’. Ces deux structures ont été réalisées et caractérisées à l’aide d’un LCRmètre en basse fréquence et d’un Analyseur Vectoriel de Réseaux (VNA) en haute fréquence. Pour les deux structures, la caractérisation a permis de vérifier les valeurs des inductances magnétisantes supérieures à 1 μH souhaitées par le projet THOR et des facteurs de couplages supérieurs à 0,9 déterminées par simulation. D’autres paramètres importants du cahier des charges ont été également extraits à savoir la capacité interbobinage où des capacités inférieures à quelques pF ont été obtenues et des résistances d’enroulement inférieures à 10 Ω ont été relevées

In aeronautics and more specifically in an all-electric aircraft, the main objective is to reduce the mass and volume of the components. For this, the electric actuators gradually replace hydraulic and mechanical actuators. These electric actuators need to be commanded; THOR project (European project supporting this thesis) aims to develop a control stage to command the power switches. The switches are located in the direct vicinity of the driver stage with an output voltage that can reach up to 3 kV hence the need for a galvanic isolation. Formerly, the opto-couplers were used to provide galvanic isolation in the control stages. However, in order to use these components in thermal constraining environment and ensure better integration, opto-couplers are no longer appropriate and are replaced by transformers. In this context, the main objective of this thesis is to develop, realize and characterize integrated planar transformers that meet the THOR specifications. At first a state of art on the different manufacturing technologies of planar transformers is established before choosing the technology and the materials used in the fabrication of our planar transformers. In a second step, we are interested in the choice and size of the transformer structure. Two structures that met the THOR specifications were selected and resized using a simulation software (HFSS). Finally, these two structures were realized and characterized using an RLC-meter at low frequency and a Vector Network Analyzer (VNA) at high frequency. For both structures, the characterization allowed to verified the magnetizing inductance greater than 1 μH desired by the THOR project and a coupling factor greater than 0,9 obtained par simulations. Other important parameters were also extracted namely the inter-winding capacity where less than few pF wasobtained and the windings resistance has been identified less than 10 Ω