Modélisation thermique des composants magnétiques planar pour l’électronique de puissance

Les composants magnétiques sont omniprésents au sein des convertisseurs d’électronique de puissance (EP) et indispensables à leur bon fonctionnement. En effet, ils assurent un certain nombre de fonctions vitales telles que le transfert et le stockage de l’énergie, le filtrage, ou encore l’isolation galvanique entre les parties d’un convertisseur. Ces composants posent de réelles contraintes aux concepteurs de convertisseurs car ils occupent un volume important et sont sources de pertes non négligeables [1],[2]. Pour les applications où le volume est restreint (équipements portatifs, systèmes informatiques, automobile, aéronautique ou encore spatial), obtenir une forte densité de puissance volumique pour les convertisseurs est un objectif majeur. Dans ce contexte, la demande de convertisseurs de taille de plus en plus réduite, tout en étant plus performants et plus efficaces ne cesse d’augmenter. Pour répondre à cet objectif d’intégration, la réduction du volume et des pertes dans les composants magnétiques font partie des principales contraintes à prendre en compte dès les premières phases de dimensionnement lors d’un processus de conception. Ces dernières années, les fréquences de commutation des convertisseurs d’EP ont significativement augmenté en raison de l’apparition des composants actifs large bande (WBG) tels que les composants à base de Carbure de Silicium (SiC) et de Nitrure de Gallium GaN [3]. Les fréquences de commutation étant moins contraintes qu’avec des semiconducteurs de puissance en Silicium (Si), ces dernières peuvent maintenant atteindre quelques MHz. Cette hausse des fréquences permet une réduction notable de la taille des composant passifs et notamment des composants magnétiques. Cependant, cette hausse pose des contraintes importantes sur ces composants magnétiques, en raison des pertes haute fréquence (HF) qui vont apparaitre dans les conducteurs et les noyaux magnétiques. Les composants magnétiques restent donc un frein à l’utilisation de ces composants actifs WBG à de telles fréquences de commutation, notamment pour les convertisseurs de fortes puissances.

Pour augmenter les densités de puissance des composants magnétiques et des convertisseurs, les composants magnétiques planar (CMP) constituent une solution technologique intéressante, en raison notamment des avantages qu’ils présentent par rapport aux composants bobinés classiques [4],[5]:
• Faible épaisseur
• Plus forte densité de puissance
• Moins de pertes en haute fréquence
• Facilité pour alterner les couches (entrelacement)
• Faible inductance de fuite
• Bonne évacuation thermique
• Très bonne répétabilité .

Néanmoins, les CMP présentent aussi quelques inconvénients :
• Puissance limitée à quelques kW
• Nombre de spires limité
• Interconnexions des spires et des couches complexes
• Capacités parasites importantes .

L’utilisation du PCB peut faciliter l’intégration des CMP dans les convertisseurs, ainsi que l’automatisation de leur conception grâce à la technologie de fabrication des circuits imprimés multicouches. Néanmoins, cette technologie ne permet pas d’atteindre des facteurs de remplissage élevés en raison de l’épaisseur standard des pistes de cuivre disponibles (35μm, 70μm, 105μm ou encore 210μm) et de l’isolant utilisé. Ces contraintes ont tendance à limiter le courant nominal dans les CMP à base de PCB.

Le recours à un bobinage de type feuillard de cuivre, permet plus de flexibilité sur l’épaisseur des conducteurs et des isolants. Ceci permet d’obtenir un remplissage maximal de la fenêtre de bobinage et donc un courant plus important.

Comme nous l’avons déjà mentionné, l’augmentation des fréquences de découpage permet la diminution de l’encombrement des composants magnétiques mais elle introduit une augmentation notable des pertes cuivre à cause de l’effet de peau et de proximité, ainsi que des pertes fer qui augmentent fortement avec la fréquence. Par conséquent, les composants magnétiques voient leur surface refroidissante diminuer et leurs pertes augmenter, ce qui les rend critiques d’un point de vue dimensionnement thermique.

Pertes dans les composants magnétiques planar 

La prédétermination des pertes est un point clé du dimensionnement des composants et des convertisseurs d’électronique de puissance. En plus d’impacter sur le rendement des structures à découpage, les pertes dans les composants engendrent une élévation de température qu’il faut être capable de maitriser en associant, aux composants et aux convertisseurs, un système de refroidissement adéquat. A l’heure de l’efficience énergétique, ces problématiques de pertes et de rendement sont devenues un enjeu majeur lors de la conception de systèmes électriques. Les composants magnétiques planar n’échappent pas à ces règles. Leur fonctionnement en hautes fréquences (HF) est source de pertes dans les conducteurs du bobinage (pertes cuivre) et de pertes dans le matériau magnétiques (pertes fer). Il est donc primordial d’être capable prédire ces différentes pertes afin de garantir le bon fonctionnement des composants et leur intégration dans des convertisseurs.

Modèles de Pertes Cuivre HF

En basse fréquence (BF), le courant dans un conducteur se répartit uniformément sur toute la section d’un conducteur. Cette répartition correspond à un niveau de pertes minimal dans les conducteurs. Le fonctionnement en HF des composants magnétiques planar va engendrer des pertes supplémentaires, liées à des effets HF, qu’il faut être capable de comprendre et de modéliser.

Extension de la méthode et autres modèles

Ces premiers travaux de Dowell ont inspiré de nombreux chercheurs et donné lieux à bon nombre de publications. Parmi les travaux marquants, on peut citer les travaux de Perry [19], Carsten[20] ou encore Vandelac et Ziogas [21] Robert présente d’ailleurs dans sa thèse [3] une synthèse chronologique de ces différents apports. Plus récemment, Ferreira et al [22] ont repris les mêmes hypothèses que Dowell pour établir un modèle analytique 1D, à l’aide de l’orthogonalité entre l’effet de proximité et celui de peau pour des bobinages possédant un grand nombre de spires. Ils ont aussi introduit un facteur de porosité pour les conducteurs ronds pour améliorer l’expression analytique proposé par Dowell. En dehors de ces méthodes découlant toutes de l’hypothèse 1D du champ, d’autres auteurs ont travaillé sur des formulations spécifiques pour le calcul des pertes cuivre HF dans les enroulements d’un transformateur. Bahmani et al [23], ont ainsi proposé une méthode pseudo empirique pour calculer ces pertes cuivre. Cette approche nécessite un grand nombre de simulations éléments-finis, les résultats de ces simulations servant à calculer les paramètres d’un modèle analytique obtenu par régression mathématique. Un tel modèle est difficilement généralisable à toutes les configurations possibles de bobinage. Pour tenir compte d’effets 2D, des modèles semi-analytiques ont été proposés dans [24] et [25]. Ces méthodes sont itératives et nécessitent des intégrations numériques pour le calcul de la distribution des densités de courant. Leurs résultats sont proches de ceux obtenus par simulations éléments finis 2D. Enfin, d’autres types de modèles, basés sur la modélisation de couches conductrices par des circuits équivalents et des réseaux d’impédances, ont été présentés, notamment dans [18], [26] et[27]. L’un des grands avantages de ces modèles, identifiés à partir des lignes de transmission, est leur intégration aisée au sein d’outils de simulation des circuits électriques.

Table des matières

Remerciements
Abréviations
Introduction générale
Pertes dans les composants magnétiques planar
1.1 Introduction
1.2 Modèles de Pertes Cuivre HF
1.2.1 Effets haute fréquence dans les conducteurs
1.2.2 Calculs analytiques
1.2.3 Modélisation numérique par éléments-finis
1.2.4 Application aux transformateurs planar
1.3 Pertes fer dans les noyaux magnétiques HF
1.3.1 Noyaux et matériau ferrite pour les transformateurs planar
1.3.2 Propriété des matériaux ferrites
1.3.3 Origine des pertes Fer
1.3.4 Modèles pour le calcul des pertes fer
1.4 Conclusion
Introduction à la modélisation thermique des composants magnétiques planar
2.1 Introduction
2.2 Rappel sur les transferts thermiques
2.2.1 Définitions des grandeurs
2.2.2 Modes de transfert thermique
2.3 Approches pour la modélisation thermique
2.3.1 Modèles analytiques
2.3.2 Modèles Numériques
2.3.3 Analyse et comparaison des différentes approches
2.4 Etat de l’art sur la modélisation thermique des composants magnétiques pour l’électronique de puissance
2.4.1 Approches utilisées dans la littérature
2.4.2 Analyse et comparaison
2.5 Modélisation thermique appliquée aux composants planar : spécificités et points clés
2.5.1 Paramètres pour la modélisation thermique des CMP
2.5.2 Etude de la sensibilité des paramètres de modélisation d’un transformateur planar
2.5.3 Dépendance des modèles électriques et thermiques
2.6 Synthèse et orientation des travaux de thèse
2.7 Conclusion
Modélisation par résistance thermique équivalente des transformateurs planar
3.1 Introduction
3.2 Performances thermiques d’un transformateur planar
3.3 Etude de l’évolution de la résistance thermique des composants planar à l’aide de la CFD
3.3.1 Description du problème étudié
3.3.2 Principe de la résolution des problèmes thermiques sous Ansys ICEPACK
3.3.3 Hypothèses de modélisation CFD des composants planar
3.3.4 Résultats et analyse
3.4 Expression analytique de la résistance thermique équivalente
3.4.1 Modèle polynomial et principe de détermination des paramètres
3.4.2 Application aux CMP
3.4.3 Comparaison des résultats obtenus via le modèle analytique et par CFD
3.5 Validation expérimentale
3.5.1 Démarche de tests
3.5.2 Résultats et discussion
3.6 Conclusion
Modélisation par réseau thermique nodal automatisé (RTNA) pour les composants magnétiques planar
4.1 Introduction
4.2 Principe de la modélisation par RTN
4.2.1 Type du modèle thermique : comportemental ou structurel
4.2.2 Définition du problème et calcul des éléments
4.2.3 Formulation mathématique d’un RTN
4.2.4 Résolution
4.2.5 Exemple d’application : conducteur isolé thermiquement
4.3 Réseau thermique nodal automatisé (RTNA) pour les composants magnétiques planar
4.3.1 Hypothèses du modèle
4.3.2 Description du composant et automatisation de la géométrie
4.3.3 Discrétisation du CMP
4.3.4 Calcul des différents éléments du RTNA
4.4 Validation du modèle RTNA de composants magnétiques planar
4.4.1 Description des transformateurs planar
4.4.2 Données pour le modèle RTNA des prototypes de transformateurs
4.4.3 Comparaisons RTNA / FEM
4.5.4 Validation expérimentale
4.5 Conclusion
Conclusion générale 
Annexe 1 : Dimensions des noyaux magnétique E/PLT et EE
Annexe 2 : Les équations de comportement des fluides
Annexe 3 : Rappel sur la méthode des volumes finis
Bibliographie

Télécharger le rapport complet