Plan. électronique de puissance. l intégration. 1) Le contexte 2) Axe intégration fonctionnelle en

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1 INTÉGRATION DE PUISSANCE ET CEM 20/11/2013 Eric Labouré

2 2 Plan 1) Le contexte 2) Axe intégration fonctionnelle en électronique de puissance 3) Axe matériaux pour l intégration 4) Axe architectures de convertisseurs pour l intégration

3 3 Le contexte

4 Le contexte 4 L intégration en électronique de puissance : Faire en pour la puissance ce qui a été fait en électronique de signal et en électronique numérique Convertisseur «in a package» Empilement de puces silicium Convertisseur Monolithique Composants discrets sur et dans le substrat Un seul CI pour la puissance et le contrôle Inductance reportée sur le CI Capacités non intégrées Inductance réalisée directement sur le CI Capacités intégrées dans le substrat

5 Intégration de puissance 5 Problématiques scientifiques Méthodologie de Gestion de la Haute température conception thermique Modélisation et simulation Architecture des convertisseurs pour l intégration Intégration en électronique de puissance Fiabilité Mécanismes de défaillance Packaging Intégration des composants actifs Intégration fonctionnelle Matériaux et procédés pour l intégration Intégration des composants Passifs

6 Intégration de puissance 6 Les acteurs nationaux Gestion de la thermique : G2ELAB, LAPLACE Haute température : AMPERE, SATIE Fiabilité, mécanismes de défaillance : IFSTTAR, SATIE, LMT, IES, IMS, LAPLACE Packaging : Platform for Research on power electronic Integration and Management of Energy and Storage devices : PRIMES Intégration des passifs : LGEP, SATIE, AMPERE, LAAS Matériaux et procédés pour l intégration : LGEP, SATIE, CIRIMAT, LAPLACE (GIS 3DPHi) Intégration des composants actifs : LAAS, G2ELAB Architecture des convertisseurs pour l intégration : LGEP, LAPLACE, IES (GIS 3DPHi) Méthodologie de conception, modélisation et simulation : (tous ou à peu près)

7 Intégration de puissance 7 Les acteurs CPES (Center for Power Electonics Systems) : VirginiaTech ECPE (European Center for Power Electronics) Universidad Politécnica de Madrid, Centro de Electrónica Industrial Tyndall National Institute : Microelectronics Applications Integration Research Group Delft University of Technology : Electrical Power Processing Unit Fraunhofer Institute of Integrated Systems and Device Technology : Dept. of Power Electronic Systems Swiss Federal Institute of Technology (ETH) Zurich : Power Electronic Systems Lab

8 8 Axe intégration fonctionnelle en électronique de puissance

9 Axe intégration fonctionnelle en ENPU 9 1)Optimisation géométrique multi-contraintes (avec SATIE); poursuite LGEP? 2)Intégration fonctionnelle des éléments d un convertisseur électronique de puissance (avec SATIE) 3)Simulation et modélisation multi-physique et multi-échelle (LGEP)

10 Axe intégration fonctionnelle en ENPU 10 Géométrie et topologie de référence pour les parties passives Signature CEM Contrainte thermique Validation Conclusion

11 Axe intégration fonctionnelle en ENPU 11 Vers Systèmes avioniques complexes Cartes d alimentation DC-DC Filtre CEM passif discret Filtre CEM hybride: Actif (BF) + Passif (HF) Intégrer le filtre CEM d une carte d alimentation avionique : Respecter les normes CEM dans l aéronautique (DO160F) Optimiser le volume et la masse du filtrage CEM

12 Axe intégration fonctionnelle en ENPU 12 Découplage de l alimentation AD8009 BUF634 R L C R 1 C R 2

13 Axe intégration fonctionnelle en ENPU 13 Prototype réalisé (CMC et CMD) L=50mm 0

14 Axe intégration fonctionnelle en ENPU 14 2 plaques magnétiques Enroulements plans? 2 jambes Noyau magnétique plan Enroulements tridimensionnels

15 Axe intégration fonctionnelle en ENPU 15 Noyau magnétique plan l=1,2mm; e=60µm Enroulements Couplés Dessus Dessous Intégration du circuit magnétique dans un empilement de pépreg et de PCB. Pressage et chauffage pendant 2h. Métallisation supplémentaire des pistes. Isolation de 300µm entre les pistes et le circuit magnétique. Matière prédétourée Ferrite Ferrite Résine Trou métallisé

16 Axe intégration fonctionnelle en ENPU 16 Z MD L 1 Z MD L 1 C 1 Z1 Z 2 L Injection Z RSIL1 L Injection IInjection G AOP Z 2 Z 1 C 1 Z RSIL1 U MD G AOP IInjection I Injection U MD C 1 Z 1 Z 2 L 2 Z RSIL2 L 2 Z 2 Z 1 C 1 Z RSIL2 Utilisation du composant Gain magnétique =-1 intégré pour compenser la tension de MD. Convertisseur Convertisseur Gain important Z MD L MD /2 L Injection R L BUF AOP R 2 R C 1 C MD Z RSIL1 U MD L MD /2 R 2 R 1 C Z RSIL2 Filtre actif Filtre passif BUF634 AD8009 Les composants actifs seront alimentés du côté convertisseur.

17 17 Axe matériaux pour l intégration

18 Axe matériaux pour l intégration 18 1)Élaboration de matériaux magnétiques ferrites pour applications de puissance adaptés au frittage Flash et au procédé LTCC (avec Thales R&T et SATIE) : Fréquence de fonctionnement : 1 MHz à 100 MHz Basse température de frittage : < 900 C au lieu de 1350 C Possibilité de co-frittage avec l argent ou le cuivre sous atmosphère neutre 2)Réalisation d un composant magnétique complet par la technique du frittage flash ou par la technologie LTCC (avec le Thales R&T et la Faculty of Technical Sciences de l Université de Novi Sad en Serbie) 3)Cofrittage de la structure magnétique avec des matériaux ayant des propriétés isolantes et diélectriques (avec Thales R&T et SATIE)

19 Axe matériaux pour l intégration 19 Le LTCC à la différence du HTCC : Low- Temperature Cofired Ceramic LTCC 875 C à 900 C (HTCC C) co-cuisson de bandes coulées et de pâtes conductrices et autres ex : conducteurs - LTCC : métaux (Au, Ag, Pd, Cu) - HTCC : métaux réfractaires (W, Mo, MoMn) mélange poudres de céramique avec des liants organiques - LTCC : Divers - HTTC : essentiellement Al 2 O 3

20 Axe matériaux pour l intégration 20 Le procédé LTCC : un procédé multicouches

21 Axe matériaux pour l intégration 21 Le procédé LTCC : matière première Feuilles ou rouleaux Épaisseur µm 5 à 6 grands fabricants : DuPont, ESL, Ferro, Heraeus Poudre : à mélanger soi-même, LTCC propriétaire (grosses production genre automobile, militaire etc.) Poudres synthétisées par des spécialistes pour de nouvelles applications (Recherche) Processus simple mais complexe Temps incompressibles : - lamination 5-15 minutes - cuisson 2-8 heures - post-cuissons 45 minutes

22 22 Axe matériaux pour l intégration

23 Axe matériaux pour l intégration 23 Objectifs : Développement ferrite µs = 100 compatible LTCC Diminution des pertes en puissance Contrôle des pertes à 80 C Densification du ferrite à 900 C (cofrittage Ag) Compatibilité ferrite argent diélectrique céramique Perméabilité initiale en fonction de la température (Ni 0.40 Zn 0.40 Cu 0.20 )Fe 2 O (Ni 0.40 Zn 0.40 Cu 0.20 ) Co Fe 2 O 4 µs 200 Co=0 150 (Ni 0.40 Zn 0.40 Cu 0.20 ) Co Fe 2 O Co=0, Co=0, Temperature ( C)

24 Axe matériaux pour l intégration 24 Cofrittage avec l argent à 900 C / 2h sous air Réalisation de composants cofrittés : Après cofrittage à 900 C

25 Axe matériaux pour l intégration 25 Tests de cofrittages Réalisation de composants cofrittés :

26 26 Axe architectures de convertisseurs pour l intégration

27 Axe architectures de convertisseurs pour l intégration 27 1)Nouvelles structures de conversion multicellulaires adaptées à l intégration (avec IES, LAPLACE) 2)Contrôle et équilibrage statique et dynamique des structures multicellulaires (avec SATIE et LAPLACE), poursuite LGEP avec Olivier (suite SOFRACI) 3)Analyse du comportement CEM des structures multicellulaires (avec SATIE) 4)Réalisation de composants passifs magnétiques intégrés (avec AMPERE)

28 Axe architectures de convertisseurs pour l intégration 28 1 puce = 1 cellule 1 puce = q? cellules Réduction de la puissance unitaire = Meilleure adaptation à l intégration

29 Axe architectures de convertisseurs pour l intégration 29 Les topologies candidates : multicellulaires entrelacées à ICTs Une réduction de la puissance unitaire gérée par chaque cellule Une amélioration de la puissance volumique Une amélioration de la dynamique du convertisseur (réduction des éléments de découplage) Une augmentation de la fréquence apparente de découpage (réduction des éléments de filtrage)

30 30 Axe architectures de convertisseurs pour l intégration

31 Axe architectures de convertisseurs pour l intégration 31 Co-intégration sur 2 puces primaires et secondaire de l ensemble des composants actifs incluant drivers et isolation Level sifter +E Amplification stage Inverter R Vin Cellule élémentaire intégrée Partie active intégrée 12 cellules élémentaires intégrées dans une puce CMOS 20V et packagées dans boîtier CQFP-44 Mise en œuvre d une structure entrelacée classique (6 coupleurs), incluant commande décalée et isolation optique Travaux conjointement menés dans le cadre d une thèse MESR : T. V. Nguyen (encadrement : JC Crébier, PO Jeannin)

32 32 Axe architectures de convertisseurs pour l intégration

33 Axe architectures de convertisseurs pour l intégration 33 Structures de conversion multi-cellulaires isolées permettant une association série et parallèle configurable en fonction de l application Réseau de micro-convertisseurs

34 Axe architectures de convertisseurs pour l intégration 34 Convertisseur DC/AC Domaine d application : l alimentation de machines électriques «Drive» Onduleur de courant Onduleur de tension 2 Niveaux Multiniveaux

35 Axe architectures de convertisseurs pour l intégration 35 Multicellulaire // à ICT Source DC 1 puce = 1 cellule 1 puce = q? cellules Cellule de commutation (IGBT)

36 Axe architectures de convertisseurs pour l intégration 36 Machine AC Source DC

37 37 Axe architectures de convertisseurs pour l intégration

38 Axe architectures de convertisseurs pour l intégration 38 Multiplication de fréquence + effet de filtrage Les convertisseurs multicellulaires quel impact sur la CEM