Cadre de l’étude : le composant LCT

I.6.1.Principe de la conception

Le composant passif LCT permet l'intégration de trois fonctions passives dans un seul

composant : une inductance (L), une capacité (C) et un transformation (T). Son principe se base

sur un transformateur classique disposant d'un noyau magnétique autour duquel sont disposés

les bobinages primaire et secondaire. Ce transformateur introduit naturellement un effet de fuite

des flux magnétiques liés essentiellement au placement des bobinages. Ce phénomène est

modélisé par une inductance de fuite pouvant être réglable par une modification des dispositions

des bobinages. Afin d’introduire un effet capacitif au dispositif (fonction C du composant), il est

nécessaire de créer deux surfaces en regard et d’insérer un matériau diélectrique entre ces deux

surfaces. Selon le besoin il est possible de dédoubler soit le primaire soit le secondaire et de

créer une capacité entre les spires de ces enroulements. La Figure I-16 montre le principe de ce

composant. Dans ce cas la capacité est réalisée au primaire.

Figure I-16. Principe du composant LCT [VAL-07]

Les effets électromagnétique et électrostatique du composant LCT sont modélisés Figure

I-17a, il s’agit principalement du couplage magnétique des enroulements du composant et du

couplage capacitif entre deux enroulements placés en vis à vis. Un schéma électrique équivalent

à ce composant est présenté Figure I-17b.

a. Principe des couplages b. Schéma électrique équivalent

Figure I-17. Modélisation du composant LCT

Les applications du composant LCT sont abondantes. Tout d’abord en réalisant

différentes connexions des quatre bornes des primaires, nous pouvons facilement obtenir des

résonances série ou parallèle. Le modèle magnétique du transformateur disposant d’une

inductance de fuite peut être aisément ramenée au primaire et être placée en série ou en parallèle

avec la capacité intégrée.

Les composants LCT peuvent aussi être utilisés dans les convertisseurs classiques de type

Flyback ou Forward. Dans ce type d’application la capacité intégrée présente une grande valeur

(quelques dizaines nF), cela conduit à l’utilisation de matériaux diélectriques à forte permittivité

ou/et à faible épaisseur.

I.6.2.Composants LCT réalisés au G2Elab

Le premier travail concernant le composant LCT au G2Elab a été effectué par Kh.

Laouamri de 1999 à 2001 [LAO-01]. Au cours de ses travaux, il a étudié le problème de la

propagation d’onde par la théorie des lignes de transmission afin d’envisager les problèmes de

résonances dans les composants passifs multicouches fonctionnant à hautes voire très hautes

fréquences. Une caractérisation par des schémas équivalents à constantes localisées des plaques

élémentaires a donné une précision suffisante sur la gamme de fréquence de fonctionnement

classiquement utilisée en électronique de puissance. Cette étude a montré la possibilité de mettre

en série ou/et en parallèle des circuits multicouches dans la conception de composants passifs.

Ensuite, l'établissement des schémas électriques équivalents du composant à constantes

localisées a permis de valider un modèle schématique simple. Enfin un composant LCT bobiné

multicouche a été réalisé et utilisé dans une structure DC-DC à résonance Figure I-19.

Figure I-19. LCT bobiné de Khaled Laouamri [LAO-01]

Les paramètres principaux du composant LCT et de la structure DC-DC sont :

Noyau magnétique : pot P42/29

Nombre de spires primaire/secondaire : 12/4

Inductance de résonance : 5,4 µH

Capacité de résonance : 10,6 nF

Rendement du composant LCT : 74%

Ce premier prototype a permis de valider le principe de la conception de ce type de

composant LCT. Pourtant la technologie mise en œuvre n’est pas encore maîtrisée et le

rendement reste médiocre (74%). Les travaux suivants ont continué dans cette voie de

l’intégration et envisagé de meilleures approches technologiques pour obtenir de meilleures

performances.

La deuxième thèse sur le LCT au G2Elab a été effectuée par Ph.Goubier [GOU-03] de

2001 à 2003. Cette étude propose le dimensionnement et la réalisation d'un composant LCT

pour une structure quasi résonnante de 60W. Deux prototypes de LCT ont été réalisés (un LCT

bobiné Figure I-20 et un LCT planar Figure I-21) présentant de bonnes performances (96%).

Une comparaison entre une solution intégrée planar et une utilisant des composants discrets a

montré le gain apporté par l'intégration au niveau du volume et aussi au niveau du rendement

final de la structure de ce convertisseur. En effet, le nombre de connexions et la quantité de

cuivre sont grandement diminués dans le composant intégré. Ce type d’intégration regroupant

trois fonctions passives présente un véritable atout, tant en terme d’encombrement qu’en en

terme de compatibilité électromagnétique.

Figure I-20. LCT bobiné de Phillipe Goubier [GOU-03]

Noyau magnétique : E32/6/20

Nombre de spires primaire/secondaire : 20/1

Inductance de résonance : 124 µH

Capacité de résonance : 3,4 nF

Convertisseur à résonance : 60W, 300V/5V - 12A, 160 kHz

Rendement du composant LCT : 96,4%

1

Mos

2

Mos

E i

L

L

1

D

2

D

C

m

C

v

2

v

Cs ^Rs

1

Ds

2

Ds

3

Ds

4

Ds

1

Mos

2

Mos

E i

L

L

1

D

2

D

C

m

C

v

2

v

Cs ^Rs

1

Ds

2

Ds

3

Ds

4

Ds

Inductance de résonance : 124 µH

Capacité de résonance : 3,4 nF

Convertisseur à résonance : 60W, 300V/5V - 12A, 180 kHz

Rendement du composant LCT : 96,8%

Afin d'élargir le champ des applications des composants LCT, les travaux effectués par B.

Vallet de 2004 à 2007 [VAL-07] ont eu pour but de montrer une autre utilisation de composant

LCT en dehors de la résonance : les alimentations à découpage classique. Cette étude se

concentre sur l’intégration d’un LCT à trois enroulements pour lequel l’inductance de fuite des

bobinages secondaires est utilisée afin de lisser le courant de sortie. Ce composant présente

aussi une forte valeur de capacité intégrée jouant le rôle à la fois d’écrêtage mais aussi

garantissant l’équilibre d’une structure DC-DC à transfert d’énergie mixte (MET) (Figure I-22).

Tous les composants semi conducteurs de la structure MET ont été intégrés sur les deux faces

du circuit imprimé du composant LCT. L’étude a montré un fort niveau d’intégration pour cette

alimentation d’électronique de puissance. Le prototype réalisé a présenté des avantages non

seulement au niveau de la miniaturisation mais aussi au niveau des performances.

m

₁₂

m

₁₃

m

₂₃

L

_m

Lf

₂

Lf

₃

D

₃

D

₂

E _Cr

T

_1a

T

_1b

LCT

LCT

Figure I-22. Structure intégrée avec LCT planar de B. Vallet [VAL-07]

Noyau magnétique : E38/8/25

Nombre de spires primaire/secondaire : 20/2

Inductance de fuite au secondaire/au tertiaire: 22 µH/3 µH

Capacité intégrée : 12 nF

Convertisseur commutation forcée : 60W, 48V/5V - 12A, 180 kHz

Rendement du composant LCT : 97,6%

Les composants LCT sont une solution pour répondre aux besoins de l’intégration des

composants passifs dans les alimentations à forte puissance volumique d'électronique de

puissance. Les prototypes LCT réalisés au G2Elab au cours des années passées ont montré une

bonne évolution tant en terme de miniaturisation qu’en terme d’amélioration de la performance.

Pourtant, pour l’heure aucune optimisation du dimensionnement de ce composant n'a encore été

engagée. C’est dans ce cadre que s’inscrit les travaux de cette thèse qui ont pour vocation

d’accroître la compréhension du comportement électromagnétique et thermique du composant

LCT afin de d’optimiser son dimensionnement.

Dans le document Contribution à l'Optimisation du Dimensionnement de Composants Passifs Intégrés pour l'Electronique de Puissance (Page 44-49)