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Conceiving planar magnetic components for power electronic converters is very constraining, especially in the case of prototype development. Indeed, such making requires skills, specific appliances as well as human time for setting up the machine tools and the fabrication process. With the emergence of Fabrication Laboratory (FabLab), conceiving of planar copper foil prototypes becomes more feasible in a shortened time process for engineers and researchers. This paper presents a methodology and process for conceiving power planar transformers with the help of machines and tools that can be found in the usual FabLab.

The More Electric Aircraft (MEA) has motivated aircraft manufacturers since few decades. Indeed, their investigations lead to the increase of electric power in airplanes. The challenge is to decrease the weight of embedded systems and therefore the fuel consumption. This is possible thanks to new efficient power electronic converters made of new components. As magnetic components represent a great proportion of their weight, planar components are an interesting solution to increase the power density of some switching mode power supplies. This paper presents the benefits and drawbacks of high frequency planar transformers in DC/DC converter, different models developed for their design and different issues in MEA context related to planar’s specific geometry and technology.

This paper presents a methodology to evaluate and analyze the volumetric power density of planar magnetics used in power electronics converters. The power density is computed for various EE and E/PLT cores considering optimal configurations for the planar transformers’ design and for its cooling heatsink. The analysis is performed for three cooling configurations: natural convection without heatsink, single sided cooled component with one heatsink, and double sided cooled with two heatsinks. This study can be very useful for designers to evaluate their design specifications and to adapt their technological choices to achieve the desired planar magnetics’ characteristics.

In this paper, the thermal resistance of planar magnetic components in natural convection is studied in order to obtain analytical formula taking into account effects of ambient temperature as well as power dissipated inside the component. The analytical model is deduced from Computational Fluid Dynamic simulations and is validated with measurements on prototypes.

Planar technology is an interesting solution for high frequency (HF) magnetic components in power electronic converters. Over the past few decades, the trend is increasingly towards these integrated magnetic components with high power density, especially for embedded systems, automotive and avionics devices. In order to design optimized planar inductances or transformers any aspect of the component’s geometry is important. This paper is focused on one of these aspects: the track shape of copper conductors made of Printed Circuit Board (PCB). Three designs of conventional tracks are simulated by 3D Finite Element Analysis (FEA) to calculate the dynamic (AC) resistances and their resistive factor. Different combinations of these elementary tracks are tested and the influence of the turn shape is highlighted.

La conception rapide de prototypes de laboratoire est intéressante pour permettre la validation, à moindre frais, de dimensionnements spécifiques de transformateurs planar. Avec l’apparition des Fabrication Laboratory (FabLab), il devient possible, en utilisant les outils et machines disponibles dans ces derniers, de réaliser de manière assez simple, rapide et peu coûteuse, des prototypes de transformateur planar en technologie feuillard. Cet article présente donc une méthodologie permettant de concevoir ce type de composant, pour des puissances de quelques kilowatts, en utilisant le matériel usuel des FabLab.

Cet article présente une méthodologie permettant l’analyse des densités de puissance volumique qui peuvent être obtenues via l’utilisation de composants magnétiques planar au sein des convertisseurs d’électronique de puissance. En se basant sur une configuration optimale pour le transformateur, les densités de puissance volumique maximales atteignables pour différents noyaux magnétiques EE et E/PLT sont étudiées pour trois types de refroidissement : sans refroidisseur, refroidissement simple face et refroidissement double face. Ce type d’analyse peut être utile à un concepteur, lors d’une phase de dimensionnement, en le guidant vers des choix technologiques adaptés.

Les composants magnétiques planar sont de plus en plus présents dans les convertisseurs de puissance en remplacement des composants bobinés classiques. L’aspect thermique de ces composants est essentiel pour un fonctionnement correct des structures de puissances. Dans cet article, un modèle thermique de transformateurs planar, basé sur un réseau nodal de résistances thermiques (RRT), est développé. Ce réseau est appelé structurel car toutes les résistances thermiques sont directement en lien avec la géométrie du composant. Les résultats de ce modèle seront comparés à des résultats issus de simulations par éléments finis ainsi qu’à des mesures expérimentales sur un prototype.

La technologie planar est une solution intéressante pour les composants magnétiques haute fréquence (HF) dans les alimentations à découpage. La miniaturisation des composants de puissance liée à leur montée en fréquence a permis le développement, depuis quelques décennies, des composants magnétiques planar, notamment dans les systèmes embarqués à forte densité de puissance. Dans l’optique d’optimiser les inductances et transformateurs planar, chaque aspect de leur géométrie est à prendre en considération. Cet article mettra l’accent sur l’un de ces aspects : la forme des angles des pistes de circuit imprimé (PCB). Trois formes standards de pistes avec différents angles seront simulées par éléments finis 3D pour évaluer leurs résistances dynamiques (AC) et leurs facteurs résistifs. Différentes combinaisons de ces formes élémentaires seront ainsi testées et comparées, et l’influence des angles des pistes sera soulignée.

As part of the More Electric Aircraft (MEA), aeronautics manufacturers are moving towards switching-mode power supplies (SMPS) solutions with high power density (until 15kW/kg for electrical car [3]) to replace pneumatic and hydraulic actuators. These power electronic devices have two main advantages: Firstly, they reduce the mass of conventional equipments and secondly, they also reduce the fuel consumption by a few percent. These improvements were made possible thanks to the evolution of electronic component manufacturing techniques that lead to the miniaturization of electrical equipment in recent decades. In power electronics, whether in automotive or aerospace, the trend is increasingly towards these integrated solutions, compact with high power density. Inside power converter, planar components, made of PCB (Printed Circuit Board) or with copper foil, fit into this context and offer an interesting alternative to conventional High Frequency transformers. They offer excellent electromagnetic and thermal characteristics [2]. They can also be integrated easily inside electrical circuits and have good rigidity, good repeatability and good modularity that make easier their industrialization (automated mass production) [1]. The optimized design of such component (losses, volume and mass) is essential for a better power density of all of the power converters. Based on analytical expressions and finite element models (FEM), this PhD work deals with the development of optimized planar components for aeronautics. Different configurations of planar transformer windings are studied in order to reach some objectives such as the fewest losses (including skin and proximity effects), a controlled and optimized leakage inductance value, a reduction of the parasitic capacitances (linked to transformer’s resonance) and a weak EMC (Electromagnetic Compatibility) impact in a given environment.

Les composants magnétiques planar sont de plus en plus présents dans les convertisseurs de puissance en remplacement des composants bobinés classiques. L’aspect thermique de ces composants est essentiel pour un fonctionnement correct des structures de puissances. Dans cet article, un modèle thermique de transformateurs planar, basé sur un réseau nodal de résistances thermiques (RRT), est développé. Ce réseau est appelé structurel car toutes les résistances thermiques sont directement en lien avec la géométrie du composant. Les résultats de ce modèle sont comparés à des résultats issus de simulations par éléments finis ainsi qu’à des mesures expérimentales sur un prototype.

Confidentielle Ces travaux de thèse s’inscrivent dans la problématique de développement de transformateurs planar pour l’intégration de puissance, dans le contexte de l’avion plus électrique (More Electric Aircraft – MEA) où les contraintes de volume et de poids sont primordiales. Les composants magnétiques restent en effet un frein à l’intégration des systèmes d’Electronique de Puissance et les composants planar (transformateurs et inductances) offrent une alternative intéressante aux composants bobinés pour la réduction de la masse et de l’encombrement des convertisseurs. Dans ce manuscrit, des méthodes, un outil de dimensionnement et des prototypes de transformateurs planar (2 et 3 enroulements) en technologie feuillard et PCB sont développés pour des applications de convertisseur DC/DC aéronautique. Dans un premier temps, les modèles permettant le calcul des pertes, l'estimation de l'élévation de température et le calcul de l’inductance de fuite sont présentés et comparés afin de concevoir des outils de calculs pour la conception. Dans un deuxième temps, il est montré que la modification de la forme des angles des spires rectangulaires permet de réduire significativement les pertes cuivre HF. Sur la base de ces outils et résultats, des prototypes de transformateurs planar à 3 enroulements en PCB multicouches sont développés. De nombreux prototypes sont caractérisés et valident les modèles de dimensionnement proposés. Enfin, l’un de ces prototypes est intégré et testé dans un convertisseur de puissance DC/DC de 3.75kW mettant en évidence les gains obtenus.