Conception d'élements passifs magnétiques pour convertisseurs de faible puissance

This thesis is a contribution to integrated power supplies for portable systems working at low voltage and low current. In order to take into account converters position from load, power efficiency and density, the design and fabrication of integrated magnetic passive components for energy storage is studied and designed for switching scales. Moreover, considering the rising demand for low cumbersome, fast and well regulated systems, working frequencies tend to increase. Converters components monolithic integration is then a valuable solution. Nevertheless, such components fabrication is still a technologic challenge. Several teams have been working over 30 years on magnetic components integration on silicon. All published realizations are based on classic microelectronics techniques like electrolytic growth for precisely-controlled thickness material deposition. Our objective was a design of a 11H inductor working within 1MHz to 10MHz frequency range for 1W applications with 1V output voltage. High power density and wide working frequency range lead us to study planar spiral inductors, already in use in radiofrequency (RF) domain. In order to study influences of geometrical parameters on electrical ones, numerical simulation tools have been developed on the basis of a geometrical normalization of spiral inductors and equations describing inductive and resistive behavior. Numerical results showed us that high performance inductors (low DC resistance) implied geometric dimensions difficult to realize with actual microelectronics techniques (conductors form factor, resolution). To overcome these limitations, we considered series/parallel association of magnetically coupled inductors. In this context, numerical simulations showed that electrical performances enhancement were achievable. As a consequence, MEMS based process (thick resist deposition, electrolytic growth) has been developed to validate above numerical results. Thanks to this process, classic planar inductors as well as stacked coils can be produced with high repeatability on silicon substrate. Also, because of induced current influence on inductance and resistance frequency behavior, the same process has been developed on Pyrex® substrate, in order to suppress all induced current. To validate components performances, a test bench, dedicated to impedance measurement, has been developed to define inductors working frequency range. This way, presented work proposes new perspectives for integrated magnetic components fabrication dedicated to actual and new electronic functions. As an example, different turn ratio transformers or filtering functions feasibility have been demonstrated.Cette thèse se place dans le contexte d'alimentation des systèmes électroniques nomades fonctionnant sous faible tension et faible courant. Le dimensionnement et la réalisation d'éléments passifs magnétiques intégrés, pour le stockage d'énergie à l'échelle de la commutation y est abordé pour tenir compte de la taille, la position de l'alimentation de puissance par rapport au système à alimenter ainsi que de son rendement et sa densité de puissance. De plus, face à la demande de systèmes rapides, à faible encombrement et finement régulés, les fréquences de commutation tendent naturellement à augmenter. L'intégration monolithique des composants des convertisseurs de puissance est une des solutions plausibles. Toutefois, la réalisation de tels composants pose actuellement un réel défi technologique. De nombreuses équipes travaillent depuis plus de trente ans sur le problème de l'intégration de composants magnétiques sur silicium. Ces réalisations font appel aux techniques de réalisation microélectroniques, tel la croissance électrolytique, pour le dépôt des matériaux avec des épaisseurs contrôlées. L'objectif aujourd'hui est de réaliser une inductance de 12H capable de supporter 1W avec des tensions de l'ordre du volt, dans une gamme de fréquence allant de 1MHz à 10MHz. Pour ces raisons de compacité et pour garantir une plage fréquentielle de fonctionnement suffisante, nous avons travaillé avec des structures inductives planaires spirales, similaires par la forme à celles utilisées dans le domaine de l'intégration pour les radiofréquences (RF). L'étude des phénomènes physiques liés au caractère inductif et résistif de spirales planaires à partir d'équations et d'une définition géométrique normalisée du composant a abouti vers la mise en place d'outils d'étude numérique permettant d'analyser les liens entre les paramètres géométriques et les paramètres électriques du composant. Il est alors apparu que les dimensions géométriques nécessaires à l'accompl issement du cahier des charges précédent (notamment l'objectif de très faible résistance), se heurtaient aux limites des possibilités de réalisation technologiques (facteur de forme des conducteurs, résolution spatiale). Dans le but, de dépasser ces limites, nous nous sommes intéressés à l'association série/parallèle d'inductances magnétiquement couplées. Les simulations ont démontrées qu'une marge de manoeuvre existait, permettant une optimisation des performances électriques des composants. Un procédé technologique basé sur les techniques MEMS de résine épaisse et de croissance électrolytique de cuivre, a été développé pour valider les modélisations précédentes. Ce procédé permet de réaliser de manière générique des inductances planaires classiques ainsi qu'un empilement de plusieurs bobines connectées entre elles ou non, sur un substrat silicium. Le procédé a également été mis au point sur substrat Pyrex® pour supprimer les courants induits dans le substrat, sources de perturbations pour le comportement fréquentiel de l'inductance et de la résistance. Un banc de caractérisation impédance métrique a également été conçu afin de déterminer les limites du fonctionnement fréquentiel des composants réalisés qui ont permis de valider les performances des composants Ce travail ouvre de nombreuses perspectives dans la réalisation de composants magnétiques intégrés, assurant des fonctions électroniques connues et nouvelles, notamment en démontrant la faisabilité de transformateurs avec différents rapports de transformation ainsi que de fonctions de filtrage performant