Conception, réalisation et caractérisation d'un transformateur de commande

Design, realization and characterization of a drive transformer

• Auteur / Autrice : Ahmat Taha Mahamat
• Direction : Jean-Jacques Rousseau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Optique, Photonique, Hyperfréquences
• Date : Soutenance le 29/05/2017
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Ingénierie Santé (Saint-Etienne)
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement opérateur d'inscription : Université Jean Monnet (Saint-Étienne ; 1969-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Hubert Curien (Saint-Etienne ; 1995-....)
• Jury : Président / Présidente : Bruno Allard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Jacques Rousseau, Martine Le Berre, David Pietroy
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Bruno Allard, Martine Le Berre

Mots clés

Mots clés contrôlés

Films magnétiques

Transformateurs électroniques

Micro-usinage

Mots clés libres

Transformateur planaire

Intégration

Ferrite

Micro-usinage laser

Transformateur commande

Structure Face to Face

Planar transformer

Integration

Ferrite

Laser micro-machining

Control transformer

Face to Face structure

Résumé

Ce travail concerne la conception, la réalisation et la caractérisation d’un transformateur de commande pour interrupteurs de puissance à grille isolée, le transformateur assurant l’isolation galvanique entre étage de commande et circuit de puissance. L’objectif du travail n’était pas de répondre à un cahier des charges précis mais de développer une nouvelle voie technologique pour la réalisation de transformateur planaire intégrable. Les principales caractéristiques d’un tel transformateur sont : - une inductance élevée (rapport inductance/surface occupée le plus grand possible) ; - des résistances séries faibles ; - un couplage capacitif entre primaire et secondaire le plus faible possible. Ces contraintes nous ont conduits à étudier un transformateur planaire à couches magnétiques dont les enroulements primaire et secondaire sont enterrés dans le matériau magnétique afin de réduire l’entrefer. La structure Face to Face a été retenue avec un décalage de 45° entre enroulements primaire et secondaire. Après une étude en simulation, chaque enroulement enterré dans un matériau ferrite a été réalisé séparément puis assemblé pour donner naissance au transformateur. De très nombreuses étapes technologiques : micro usinage laser femtoseconde, dépôts de cuivre par pulvérisation cathodique, photolithographie, planarisation, gravure chimique … ont été mises en oeuvre. Le transformateur ainsi réalisé est constitué d’un empilement de couches magnétiques, conductrices et isolantes. Il a été caractérisé des très basses fréquences jusqu’à plusieurs dizaines de MHz. Les résultats de mesure obtenus sont proches des résultats de simulation, la bande passante du transformateur s’étendant de 20kHz à 7MHz

This work concerns the design, realization and characterization of a control transformer for insulated gate power switches, the transformer providing galvanic isolation between driving stage and power circuits. The aim of the work was not to respond to a precise specification but to develop a new technological path for the realization of an integrable planar transformer. The main characteristics of such transformer are: - high inductance (ratio of inductance / area occupied as large as possible); - low series resistances; - a capacitive coupling between primary and secondary as small as possible. These constraints guided us to study a planar transformer with magnetic layers whose primary and secondary windings are buried in the magnetic material in order to reduce the air gap. The Face to Face structure was chosen with a 45 ° offset between primary and secondary windings. After a numerical study, windings buried in a ferrite material were fabricated separately and then assembled to give rise to the transformer. Many technological steps: femtosecond laser micromachining, copper deposits by sputtering, photolithography, planarization, chemical etching ... have been implemented. Thus, the transformer produced consists of a stack of magnetic, conductive and insulating layers. It has been characterized from very low frequencies up to several tens of MHz. The measurement results obtained are close to simulation results, the bandwidth of the transformer extending from 20 kHz to 7 MHz