Design of a new integrated inductor model

L’étude présentée dans ce mémoire s’inscrit dans le contexte de l’intégration des structures d’électronique de puissance, mariant ainsi la conversion d’énergie avec la microélectronique.En outre, cette miniaturisation, qui permettra essentiellement l’utilisation de ces structures dans des systèmes embarqués du fait de leur faible encombrement et de leur légèreté, se doit d’être réalisée de façon à satisfaire des critères qui deviennent, ces dernières années, primordial, à savoir le bon rendement de conversion, le volume minimal, et le faible coût. Les efforts de l’intégration doivent être portés sur l’ensemble des éléments constituant la structure d’électronique de puissance, que l’on peut séparer en trois types bien distincts : les composants actifs, les semi-conducteurs, et les composants passifs, mais également sur leur environnement. L’objectif de cette thèse est l’optimisation du dimensionnement, ainsi que la modélisation géométrique et thermique des composants passifs intégrés constituant un micro-convertisseur.Les convertisseurs de puissance, sont la pièce maîtresse des sources d’énergie, les intégrer complètement veut dire affronter plusieurs verrous technologiques, l’un des principaux verrous réside dans l’intégration des composants passifs en particulier les composants magnétiques. Pour décrire l'ensemble des travaux que cet objectif demande, cinq chapitres ont été nécessaires. Notre premier pas était bien évidemment le choix du cahier des charges d'un micro convertisseur de type Buck synchrone, destiné au domaine de l'électronique portable ou embarquée nécessitant une conversion d'énergie de faible puissance. Le deuxième pas consiste à intégrer les composants de ce micro-convertisseur. La clé de l’intégration du micro-convertisseur, est l’intégration de sa pièce maîtresse qui est une micro-bobine de type planaire spirale avec un noyau ferromagnétique.L’intégration de cette inductance planaire nécessite plusieurs étapes à suivre : La première étape consiste à traiter le problème du dimensionnement des paramètres géométriques, afin de ressortir avec des résultats qui reflètent des dimensions compatibles avec l’intégration. La deuxième étape, concerne la validation du dimensionnement géométrique par le calcul des paramètres technologiques. La troisième étape porte sur la simulation électromagnétique et thermique de la micro-bobine dimensionnée. Cette simulation nous a permis de concevoir une nouvelle structure que nous avons nommé «l’inductance à double noyau ». La visualisation des différentes formes d’ondes des courants et tensions était nécessaire pour tester le fonctionnement du micro-convertisseur.Ce manuscrit s’achève par une synthèse des travaux effectués et des résultats obtenus. Cette synthèse sera aussi l'occasion d'aborder les apports de ce travail ainsi que les perspectives qu'il dégage.The study presented in this dissertation falls within the context of the integration of power electronics structures, thus associating energy conversion with microelectronics.This miniaturization, which will essentially allow the use of these structures in on-board systems due to their small size and lightness, must be carried out in such a way as to meet criteria which have become, in recent years, essential. , namely the good conversion efficiency, the minimum volume, and the low cost.Integration efforts must be focused on all the elements constituting the power electronics structure, which can be separated into three very distinct types: active components, semiconductors, and passive components, but also on their environment.The objective of this thesis is the optimization of the dimensioning, as well as the geometric and thermal modeling of the integrated passive components constituting a micro-converter.Power converters are the centerpiece of energy sources, fully integrating them means facing several technological obstacles, one of the main obstacles lies in the integration of passive components, in particular magnetic components.To describe all the work that this objective requires, five chapters were necessary.Our first step was obviously the choice of the specifications of a synchronous Buck micro converter, intended for the field of portable or on-board electronics requiring low power energy conversion.The second step is to integrate the components of this micro-converter. The key to the integration of the micro-converter is the integration of its centerpiece which is a planar spiral type micro-coil with a ferromagnetic core.The integration of this planar inductor requires several steps to be followed:The first step is to address the problem of sizing the geometric parameters, in order to emerge with results that reflect dimensions compatible with integration.The second step concerns the validation of the geometric dimensioning by the calculation of the technological parameters.The third step concerns the electromagnetic and thermal simulation of the dimensioned micro-coil. This simulation allowed us to design a new structure that we called the "double core inductor". Visualization of the different waveforms of currents and voltages was necessary to test the operation of the micro-converter.This manuscript concludes with a summary of the work carried out and the results obtained. This synthesis will also be an opportunity to discuss the contributions of this work as well as the perspectives that it emerges

Design of a new electrical model of a ferromagnetic planar inductor for its integration in a micro-converter

International audienceThis paper presents a new electrical model of a ferromagnetic planar inductor with opposite entry and exit. Our aim is the monolithic integration of this type of inductor in a buck micro-converter. Initially we choose the geometry of the planar spiral inductor which gives the highest inductance value; and by using the software FEMLAB3.1 we also simulate the electromagnetic effects in two types of inductors, one with a ferromagnetic core, and the other without , in order to choose the type of inductor which has better electromagnetic compatibility with the components of vicinity. A dimensioning of the geometrical parameters is carried out following a predimensioning. By inspiring on the model of Yue and Yong, we design the new electrical model which highlights all parasitic effects generated by the core and the substrate, and allows calculation of the technological parameters. This model is much simpler than the model of Yamaguchi and takes into account some parasitic effects which were neglected by Yue and Yamaguchi. To validate the results of dimensioning as well as the operation of the dimensioned inductor, we use PSIM6.0 software

Magnetic and Thermal Behavior of a Planar Toroidal Transformer

This paper presents a study on the magnetic and thermal behaviors of a planar toroidal transformer, comprising two planar toroidal coils. In our configuration, the primary coil consists of twenty turns, while the secondary coil consists of ten turns. This design combines the advantages of both toroidal and planar transformers: it employs flat coils, akin to those utilized in planar transformers, while retaining a toroidal shape for its magnetic core. This combination enables leveraging the distinctive characteristics of both transformer types. This study delves into electromagnetic and thermal behaviors. Electromagnetic behavior is elucidated through Maxwell’s equations, offering insights into the distribution of magnetic fields, potentials, and electric current densities. Fluid flow is modeled via the Navier–Stokes equations. By coupling these equation sets, a more comprehensive and accurate portrayal of the thermal phenomena surrounding electrical equipment is attained. Such research is invaluable in the design and optimization of electrical systems, empowering engineers to forecast and manage thermal effects more efficiently. Consequently, this aids in enhancing the reliability, durability, and performance optimization of electrical equipment. The mathematical model was solved using the finite element method integrated into the COMSOL Multiphysics software v. 6.0. The COMSOL Multiphysics simulation showed correct behavior of potential, electric field, current density, and uniformly distributed temperature. In addition, this planar toroidal coil transformer model offers many advantages, such as small dimensions, high resonance frequency, and high operating reliability. This study made it possible to identify the range of its optimal functioning