Composants Magnetiques Planar Pcb

7/21/2019 Composants Magnetiques Planar Pcb

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COMPOSANTS MAGNETIQUES PLANAR/PCB :

Mise au point dun modle triple : Pertes cuivre, Thermique, ElectrostatiqueBruno Cogitore Juin 2011

I Le contrat Post Doctoral dj ralis

Microspire a termin en juin 2010 lEtude Post-Doctorale de 12 mois sur lvaluation et

loptimisation des pertes cuivre et des chauffements dans les transformateurs Planar/PCB en

partenariat avec le laboratoire G2ELab unit mixte de recherche CNRS/GINP/UJF.

Nous avons tudi des transformateurs de type Flyback discontinu et continu (EE22/56W/200KHz),

Forward (EE22/56W/200KHz et EE32/200W/150KHz), Pont complet deux enroulements

secondaire (EE64/2.8kW/50KHz) et pont complet un enroulement secondaire

(EP32/180W/100KHz). Lessentiel du travail a t effectu avec les logiciels de simulationlectromagntique Flux et InCa, ainsi que le logiciel de simulation thermique Flotherm. Chaque

transformateur a t modlis pour valuer les pertes dans le PCB multi couches, source des

chauffements, ainsi que llvation de temprature du PCB. En synthse, on a essay de dgager

des lois gnrales de comportements sur ces aspects pertes et chauffement. Ltude a t ralise

par Jrmie Aim encadr par Bruno Cogitore.

Les objectifs ambitieux dfinis au dpart ont t atteints. Le principal rsultat de ce PostDoc

consiste en deux abaques, simples dutilisation, dornavant disposition de tous les membres du

Bureau dEtudes de Microspire. Le premier permet dvaluer un coefficient appel Fr , qui

reprsente les pertes AC, dites par courants de Foucault, dans les couches de cuivre des PCB. Ces

pertes viennent sajouter aux pertes DC classiques. Le deuxime permet dvaluer la rsistance

thermique Rth dun produit, et donc de dduire llvation de temprature induite par les pertestotales (cuivre+fer) du composant, en fonction de sa temprature denvironnement.

II Pourquoi ce travail doit tre poursuivi

Malheureusement, on peut aujourdhui dire que ces rsultats sont insuffisants. Dabord parce que

les problmes tudis nont pas t rsolus compltement. Ensuite parce que, au cours de ltude, on

a dcouvert que dautres problmes, complmentaires ceux tudis, doivent tre pris en compte

pour concevoir des transformateurs Planar/PCB optimiss.

Labaque sur les coefficients Fr ne fournit que des valeurs min et max en fonction de la

structure du convertisseur. Suivant le type dempilage de couches du PCB choisi par le concepteur,

il doit choisir la valeur du coefficient entre les 2 extrmes. La diffrence entre les valeurs min etmax tant importante, le choix est complexe et peut tre insuffisamment prcis.

En parallle une analyse par simulation, nous avons essay dvaluer la fiabilit de certaines

formules analytiques de calcul des pertes par effets de peau et de proximit. Cette valuation a

montr que cette approche semble intressante mais elle na pu tre poursuivie la fois par manque

de temps et parce que ces formules sont complexes et leurs conditions dutilisation difficiles

dfinir. Lintroduction de formules analytiques dans les modules Mathcad de conception de

Microspire serait un atout prcieux.

Le cas du transformateur Flyback, particulier cause de lentrefer, doit tre approfondi. Il nous a

t impossible didentifier correctement les origines des grandes variations du coefficient Fr . La

simulation semble montrer ses limites. Par contre, le modle de remplacement de lentrefer que

nous avons partiellement valid peut permettre, en menant une tude analytique, de dterminer une

formule de calcul des pertes dues cet entrefer. Comme prcdemment, lintroduction dune telle

formule dans nos outils de conception sous Mathcad serait un atout prcieux.


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Ltude des pertes dues la prsence dun entrefer dans un conducteur plaque prsente des

difficults diffrentes. La consultation des publications scientifiques semble montrer quil nexiste

pas de formule, mme trs complexe ou approche, valuant ce type de pertes. Cependant, ondispose de deux atouts pour sattaquer ce sujet. On a tout dabord le modle dvelopp pendant le

PostDoc. Ce modle, qui remplace lentrefer par un conducteur, permet de connatre lexpression

analytique, dans la fentre de bobinage, du champ magntique lorigine de pertes dans les

conducteurs. Le deuxime atout est la forme des conducteurs victimes, trs rectangulaires, c'est--

dire dont une dimension est beaucoup plus grande que lautre.

En tenant compte de la forme des conducteurs et leur orientation vis vis du champ

lexpression du champ en 1/r la proportionnalit des pertes au carr du champ, on doit pouvoir

rduire le calcul intgral une (seule) dimension. Cette hypothse devrait permettre de mener le

calcul son terme et daboutir une formule dont la prcision et la limite de validit pourraient tre

dtermines par comparaisons comme prcdemment. Laboutissement du calcul nest

malheureusement pas garanti. Cependant, dans les conditions dtailles, les chances de succs

semblent importantes.

Cette formule serait galement introduite dans nos outils sous Mathcad.

2) Elargissement de labaque des Rth

Le premier objectif de ce travail est simple. Il sagit de multiplier le nombre de cas modliss sous

Flotherm lors du PostDoc pour largir la validit de labaque des Rth dans deux directions :

- Les formats de la famille de ferrite E planar diffrents de ceux dj modliss. Oncommencera par le plus petit et le plus grand. Si les rsultats sont similaires ceux dj

obtenus, on pourra conclure pour la famille. Sinon, il faudra modliser les formatsintermdiaires, mais cette hypothse parait peu probable.

- Les formats dautres familles de ferrite. On se limitera 1 ou 2 familles choisir, les RM lowprofile par exemple. Le travail est similaire celui du tiret prcdent, sauf que Microspire ne

dispose pas pour linstant de produits conus dans une autre famille de format. Il faudra donc

concevoir ces produits avant de les modliser.

Suivant les rsultats, on obtiendra un abaque par format, ou mieux, un abaque par famille de ferrite

paramtr par format.

Mme si ce travail parait simple, il ne faut pas sous estimer le temps ncessaire pour le mener

bien. Modliser les composants sous Flotherm ncessite de dcrire la gomtrie et de dfinir les

sources de lchauffement, c'est--dire les pertes. Pour valuer les pertes fer, nous utiliserons une

nouvelle fois le modle de type Steinmetz fonctionnant sous Mathcad. Pour les pertes cuivre, ilfaudra peut-tre avoir recours des simulations sous Flux, ce qui nest pas ngligeable en terme de

dlai.

Le deuxime objectif de ce travail, plus ambitieux, est de dterminer une fonction polynomiale qui

modliserait la variation de Rth en fonction de la puissance dissipe et de la temprature ambiante.

On obtiendrait ainsi un ou plusieurs modles de type Steinmetz ou approchant. On dterminerait

ainsi pour chaque format et/ou famille un jeu de coefficients. Cela permettrait de dfinir une

fonction mathmatique simple qui calculerait le Rth partir des donnes dentre Format + Pertes +

Temp. ambiante. Cette fonction serait utilise dans Mathcad.

En conclusion de ce travail, on pourrait caractriser exprimentalement le comportement thermiquedun composant dans diffrentes configurations de pertes et de temprature ambiante. On

comparerait ses lvations de tempratures par rapport labaque du format ou de la famille.


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3) Modlisation des capacits parasites

Les capacits parasites (Capas) perturbent le fonctionnement dun transformateur en limitant sabande passante en haute frquence. Excepts dans les convertisseurs de forte puissance ou

fonctionnant trs haute frquence, ce nest pas ce dfaut qui est gnant. Par contre, les Capas

viennent perturber le fonctionnement de la cellule de commutation en amont du transformateur,

et/ou le redressement en aval. Leur prise en compte peut se diviser en deux tapes lies la

technologie de ralisation des PCB.

Le PCB est compos dune succession de couches empiles de cuivre lectrolytique et disolant.

Lisolant est soit de la fibre de verre epoxy, soit un polyimide, Kapton ou autre. Le cuivre est

essentiellement caractris par sa rsistivit. Lisolant est surtout caractris par sa permittivit

relative variable entre 3 et 4 environ suivant les matriaux. Entre 2 couches de cuivre voisines, il y a

une couche disolant qui cre une Capa entre ces 2 couches. En premire approximation (

confirmer), si on a n couches de cuivre, on peut dfinir n-1 Capas.

Ltape 1 du travail serait de calculer les n-1 Capas. A premire vue, ce calcul parait simple car les

2 couches de cuivre dfinissent clairement deux surfaces en regard lune de lautre spares par une

distance constante. Cependant, ceci nest quune approximation quil faut valider par simulation,

calcul analytique ou autre.

Ltape 2 consiste disposer ces n-1 Capas sur un circuit lectrique quivalent reprsentant le

comportement lectrique du transformateur afin dtre capable de dterminer leurs influences

respectives sur le fonctionnement du convertisseur. Cette tape peut tre beaucoup plus complexe.

Si on prend au hasard 2 couches de cuivre en regard, elles peuvent appartenir toutes les 2 au mme

enroulement ou 2 enroulements diffrents. Il ne faut pas oublier galement que le sens deconnexion des couches a une influence sur la rpartition de lnergie lectrostatique. Il y a beaucoup

moins de symtrie en lectrostatique quen magntostatique. Au dpart, on pourra simplifier le

problme en essayant de sparer ces Capas en deux groupes : celles en parallle aux bornes dun

enroulement, et celles entre des enroulements.

Contrairement aux deux axes prcdents, lexploitation de ce travail nest pas vidente priori. La

connaissance de une ou plusieurs valeurs de Capas ne permet pas de dire si elles sont gnantes ou

pas. Except si la limite haute de bande passante du transformateur est une contrainte claire et

dfinie, les Capas ninfluencent pas directement le fonctionnement du transformateur, mais celui du

convertisseur, que ce soit la cellule de commutation et/ou celle de redressement. Un autre objectif

de cet axe serait de dfinir un critre permettant de savoir si les Capas sont gnantes ou pas pour leconvertisseur.

IV Quel(s) statut(s) pour effectuer ces travaux

Deux choses semblent claires :

- Microspire ne peut effectuer seul ces travaux. Lampleur et la difficult des travauxscientifiques raliser rendent la prsence dun partenaire indispensable.

- Plusieurs laboratoires franais disposent des comptences minimales ncessaires pour pouvoirencadrer ces travaux. Le G2ELab, de par ses comptences reconnues dans le domaine du

composant magntique et compte tenu de lhistorique de collaboration avec Microspire

semble tre le partenaire idal pour raliser ces travaux.

Par contre, il est moins vident de dfinir le statut de collaboration parmi les diffrents choix


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possible : Master Recherche, PFE ingnieur, DRI, Thse CIFRE, PostDoc, autre

On peut tout dabord constater que dans chacun des 3 axes, une partie du travail ncessite une

bonne connaissance de certains aspects de llectromagntisme : formules analytiques de calculs de

pertes, modlisation par lments finis lectromagntique et/ou thermique, reprsentation duncomposant par circuit lectrique quivalent, calcul analytiques de Capas. Ce constat conduit

privilgier un niveau de dpart du candidat au moins Bac+5, c'est--dire le DRI, la thse ou le

PostDoc. Le Master et le PFE ne sont cependant pas exclus, en fonction du profil du candidat.

Ensuite, deux stratgies sont possibles. Les trois axes tant 3 aspects complmentaires dun mme

sujet scientifique concernant un seul type de technologie, ils dfinissent un sujet de thse cohrant.

La dure de 36 mois de la thse est la fois un atout et un inconvnient. Cest un atout parce que

certains aspects du sujet sont complexes et ncessitent du temps pour tre analyss, compris et

traits. Cela peut tre aussi un inconvnient en regard de lobjectif de Microspire qui est dobtenir,

relativement rapidement, des rsultats concrets qui permettent damliorer le savoir-faire de

lentreprise, mme si ces rsultats sont partiels ou approximatifs dun point de vue scientifique.

Choisir une dure infrieure celle dune thse implique de faire le choix de ou des axes qui ne

seraient pas traits. Ensuite, il faut dfinir si le ou les axes restant peuvent tre traits dans la dure

dfinie par un candidat. Le recrutement du candidat est un paramtre crucial.

Le choix du statut de collaboration ne pourra se faire quaprs avoir analys plus en dtail :

- les ventuelles priorits de Microspire parmi les 3 axes- la disponibilit de candidats en thse ou en PostDoc au G2ELab lautomne 2010.

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