Study and development of multilayer magnetic components for power electronics application

Ces dernières années, les besoins en électronique de puissance s’orientent vers la miniaturisation globale des cartes électroniques, parallèlement à une augmentation des puissances de travail. C’est dans ce contexte que s’inscrivent les travaux de cette thèse, principalement axée sur l’élaboration, l’amélioration des performances et l’intégration de composants passifs (inductances, transformateurs…) en électronique de puissance.Les matériaux choisis pour remplir les fonctions magnétiques de ces composants dans leurs conditions de travail sont les ferrites NixZn1-xFe2O4 (0<x<1). Du cuivre est ajouté pour diminuer la température de frittage, de plus de 1200 °C à moins de 950°C, permettant le cofrittage avec un métal conducteur, et du cobalt pour diminuer les pertes totales en puissance du ferrite formé. La formulation finale devient alors (NixZnyCuz)1-εCoεFe2-δO4 (x+y+z=1). Enfin, de l’oxyde de bismuth Bi2O3 est ajouté comme fondant pour abaisser encore la température de frittage et éviter les problèmes de diffusion.Après une étude bibliographique, les travaux se sont orientés selon différents axes. Il s’agissait tout d’abord d’optimiser la formulation du ferrite pour élaborer des échantillons aux propriétés électromagnétiques et physicochimiques ciblées. Cet axe de travail regroupe de nombreuses études sur la formulation des ferrites Ni-Zn-Cu-Co, parmi lesquelles les principales sont l’étude de l’influence de la stœchiométrie en fer, du rapport Ni/Zn dans la formulation et du procédé d’ajout de cobalt selon son taux. Ces travaux ont permis de mettre en évidence qu’un léger défaut de fer maîtrisé (~Fe1,98) pouvait améliorer les propriétés et les performances de ces ferrites. L’étude de l’influence du rapport Ni/Zn a permis la réalisation de ferrites à perméabilités très faibles, de 40 à 135, et aux bonnes performances en puissance. Les résultats de cette étude ont été publiés dans le Journal of the Japan Society of Powder and Metallurgy. Tout au long de la thèse, l’élaboration d’échantillons céramiques, base incontournable de chaque étude, a été réalisé au laboratoire, comme la plupart des tests et caractérisations. Ces derniers peuvent être microstructuraux et physicochimiques (DRX, MEB, BET, ATD/ATG…), ou électromagnétiques (mesures d’aimantation, de perméabilité, de pertes en puissances, etc…).La finalité de ces travaux étant l’intégration de puissance, cette dernière représente le second axe majeur, et regroupe également de nombreuses études, parmi lesquelles les principales sont les études des influences du bobinage sur les pertes d’un composant de type inductance et de l’entrefer (espacement amagnétique au sein du circuit magnétique), classiquement utilisé pour diminuer la perméabilité apparente, non sans conséquence sur les performances en puissance. Une campagne de mesures de pertes totales a également été réalisée dans l’objectif de dégager des lois comportementales sur la variation de ces pertes en puissance et en fréquence.Tous ces travaux et leurs résultats sur le matériau ferrite, son utilisation en électronique de puissance, et une bonne maîtrise du procédé d’élaboration (notamment multicouche), ont permis la réalisation de microcomposants passifs intégrables, aux propriétés ciblées et aux très bonnes performances (pertes diminuées d’un facteur 6 à 10 par rapport au commerce).In recent years, power electronics needs are moving towards the global miniaturization of electronic boards, and an increase of the working powers. The works performed during this thesis, mostly oriented on the elaboration, the performances improvement and the integration of passive components (inductors, transformers…) in power electronics, are inscribed in this context.The materials chosen to perform the magnetic functions of those components in their work conditions are the NixZn1-xFe2O4 (0<x