Contribution à l'étude et à la réalisation de composants magnétiques monolithiques réalisés par PECS/SPS et à leurs applications en électronique de puissance

Contribution to the study and the achievement of monolithic magnetic components made by SPS and their power electronics applications

• Auteur / Autrice : Adrien Mercier
• Direction : Frédéric Mazaleyrat, Vincent Loyau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance le 09/12/2016
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Electrical, optical, bio : physics and engineering (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École normale supérieure Paris-Saclay (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1912-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Systèmes et applications des technologies de l'information et de l'énergie (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2002-....)
• Jury : Président / Présidente : Eric Labouré
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Frédéric Mazaleyrat, Vincent Loyau, Eric Labouré, Raul Valenzuela, Emmanuel Sarraute, Hervé Chazal, Richard Lebourgeois, Jean-Jacques Rousseau
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Raul Valenzuela, Emmanuel Sarraute

Mots clés

Mots clés contrôlés

Frittage (métallurgie)

Ferrites (matériaux magnétiques)

Spinelles

Mots clés libres

Sps

Transformateur

Ferrite spinelle

Intégration de puissance

Sps

Transformer

Spinel ferrite

Power integration

Résumé

L’augmentation des fréquences de commutation des alimentations induit de nouvelles problématiques pour les composants. Que ces composants soient actifs ou passifs, il est nécessaire de contrôler les pertes afin que les rendements restent acceptables. La thèse se propose d’étudier et de fabriquer une nouvelle structure de transformateur destiné à s’insérer dans une alimentation à découpage. Ces transformateurs sont produits à l’aide du procédé PECS/SPS, qui est une technologie de frittage. Cette technologie permet de fritter des ferrites tout autour des enroulements primaires et secondaires. Il en résulte que les composants sont monolithiques.Une première partie présente l’état de l’art, ainsi que le magnétisme dans la matière. Il s’ensuit un chapitre dédié à la fabrication des matériaux magnétiques utilisés durant la thèse : les ferrites.Une deuxième partie concerne les ferrites fabriqués par le procédé PECS/SPS. Il est question dans un premier temps d’étudier l’anisotropie magnétocristalline de ces matériaux, et il est possible de la diminuer en jouant sur la composition chimique. Dans un second temps, d’autres grandeurs telles que la perméabilité ou la polarisation sont mesurées, toujours en fonction de la composition chimique. Les principaux résultats montrent que le frittage par le procédé PECS/SPS est plus réducteur que le frittage classique, ce qui dégrade certaines propriétés comme la résistivité des ferrites. Un dernier chapitre est dédié à la réalisation des transformateurs monolithiques. Un protocole détaillé de la fabrication est alors présenté.Une troisième partie illustre le fonctionnement des transformateurs réalisés. Les mesures usuelles permettent d’identifier les inductances propres, mutuelles et de fuite. Les valeurs de ces inductances montrent qu’il est plus judicieux d’utiliser les composants fabriqués non pas en tant que transformateur, mais en tant que coupleur. Enfin un convertisseur basé sur une structure de type VRM est réalisé. La fréquence de découpage est de 2 MHz, le rendement est supérieur à 90 %, et la densité de puissance est de 15 kW/litre.

The increase in switching frequency of power supply induces new problems for the components. These components are active or passive, it is necessary to control the losses so that efficiency remains acceptable. The thesis deals with the study and production of a new transformer structure intended to be part of a switching power supply. These transformers are produced using PECS/SPS method, which is a sintering technology. This technology can be sintered ferrite around the primary and secondary windings. It follows that the components are monolithic.A first part presents the state of the art, and magnetism in the matter. It follows a chapter dedicated to the manufacture of magnetic materials used in the thesis : the ferrites.A second part concerns the ferrites produced by the PECS / SPS process. Firstly, the magnetocrystalline anisotropy of these materials is studied, and it is possible to decrease it by varying the chemical composition. In a second stage, other variables such as the permeability or the polarization are measured, always depending on the chemical composition. The main results show that the sintering by PECS / SPS method is more reducing than conventional sintering, which degrades certain properties such as the resistivity of the ferrites. The last chapter is dedicated to the realization of monolithic processors. A detailed manufacturing protocol is presented.A third part shows the operation of the realized transformers. The usual measurements allow identifying self, mutual and leakage inductances. The values of these inductances show that it is better to use components made not as a transformer, but as a coupler. Finally a converter based on a VRM structure is realized. The switching frequency is 2 MHz, the efficiency is greater than 90%, and the power density is 15 kW / liter.