Abstract : Today, the efficient management of the electrical energy relies on power electronic converters. The conception of a converter is a multiphysic problem: the converter has to ensure electrical functionality, mechanical support and proper thermal management. The new wide-band gap components hold the key for dramatic improvement in performance, but they are currently limited by their package. The integration of a converter should use new interconnection methods to avoid the use of packaged components. The trend is to integrate the maximum of components into a single system. This integration can offer benefits such as size and weight reduction, cost saving and reliability improvement by managing the complexity of the interconnects. Among many integration technologies available, Printed Circuit Board (PCB) is well known in the industry, allowing mass production with automated manufacturing and assembly. The PCB integration was developed with the “Die Embedding” technology in which a bare die is embedded directly in the PCB without any intermediate package. This thesis investigates the use of the embedding technology on all the components necessary to build a converter (Capacitors, Magnetics, ...). An optimization of the converter is done to take into account the advantages of this new technology. A prototype of an AC/DC bidirectional converter fully integrated using this technology is presented, and its performances are discussed. The embedding processes are developed according to the routing to achieve the best thermal and EMI performances. The process yield is very high (97% for the die board). The "Embedded Toroidal" inductors manufactured present some issues. There were replaced by more standard "Planar" inductor to work at nominal power. The achieved power density is 2.6kW/L for the two first stages. Some propositions are given to achieve the specification of 4.2kW/L.
Résumé : Les énergies fossiles (Pétrole, Charbon, …) représentent 80 % des énergies consommés. Malheureusement pour l’environnement, elles sont les plus polluantes. Le remplacement actuel des énergies fossiles permet au marché de l’électronique de puissance de grandir d’année en année. L’électronique de puissance permet d’adapter l’énergie électrique à son utilisation finale. Dans la pratique, l’adaptation de l’énergie électrique utilise des convertisseurs. En plus de respecter le volume, l’efficacité et la fiabilité imposés par le cahier des charges pour chaque application, l’électronique de puissance doit aussi permettre de réduire sensiblement les coûts. Le convertisseur doit assurer le fonctionnement électrique du circuit, le support mécanique des composants et la gestion thermique. Le package utilisé par les nouveaux composants à grand gap limite leurs performances. L’intégration des convertisseurs doit développer des méthodes d’interconnexion permettant d’éliminer ce package. L’objectif de la recherche sur l’intégration des convertisseurs est de repousser les limites imposées par un cahier des charges standard tout en assurant ces 3 fonctions principales. Parmi les nombreuses techniques d’intégration, le circuit imprimé (PCB) est mature industriellement, permet la fabrication collective et un assemblage automatisé. L’intégration utilisant le PCB a développé la technique d’enfouissement de puce avec laquelle la puce est directement enfouie dans le PCB sans son package. Cette thèse va étudier la méthode d’enfouissement pour les autres composants nécessaires à la réalisation d’un convertisseur (Condensateurs, Composants Magnétiques). Une optimisation du convertisseur qui doit être réalisé permet de prendre en compte les avantages de cette nouvelle technologie. Un prototype de convertisseur intégré a été réalisé avec des composants utilisant cette technologie.