Brevet FR3090991A1 — publié le 20200626

Description Titre de l'invention : ENSEMBLE INDUCTIF [0001] DOMAINE TECHNIQUE ET ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE [0002] La présente invention se rapporte à un ensemble inductif et à son procédé de réa- lisation. [0003] Les dispositifs inductifs sont par exemple utilisés dans les convertisseurs très hautes fréquences et les alimentations à découpage pour électronique de puissance et dans les transformateurs hautes fréquences. [0004] Un dispositif inductif est un dispositif comportant un circuit électrique formant un enroulement de sorte que, lorsqu'un courant électrique circule dans le circuit électrique, un flux magnétique apparaît à l'intérieur de l'enroulement. Le dispositif inductif peut comporter un noyau disposé clans une zone où l'enroulement. crée le flux magnétique. [0005] Des dispositifs inductifs ou bobines sont généralement réalisés en enroulant un conducteur filaire autour (l'un noyau. [0006] Or, lorsque le courant circulant dans le conducteur est un courant. alternatif à haute fréquence, un effet de peau apparaît, i.e. le courant tend à ne circuler que sur la périphérie extérieure du fil, tendance qui s'accentue avec l'augmentation de la fréquence. [0007] Des bobinages avec des conducteurs plats, i.e. présentant une épaisseur faible par rapport à leur largeur peuvent alors être utilisés pour pallier l'apparition de ce phénomène. [0008] Cependant la réalisation par exemple de tores avec un conducteur plat est complexe. [0009] Une solution est de réaliser un tel bobinage avec les techniques de la microélec- tronique, i.e. en mettant en oeuvre des couches, dans lesquelles les conducteurs sont réalisés par des pistes conductrices dans des plans différents et sont connectées entre elles par des via. Cependant il apparaît un phénomène de proximité entre les conducteurs et l'apparition de capacité parasite. [0010] Le document US 9754714 décrit un exemple de réalisation d'un dispositif inductif comportant des conducteurs plats. Le dispositif comporte un premier substrat muni d'une face dans laquelle est formée un évidement annulaire dans lequel sont disposés à plat des premiers éléments conducteurs plats les uns à côté des autres, chaque premier élément conducteur plat est disposé sur les deux bords annulaire et le fond de l'évidement et comporte deux pattes à chacune de ses extrémités à plat sur la face du premier substrat. Le dispositif comporte un deuxième substrat comportant des deuxièmes conducteurs électriques disposés de sorte à former avec les premiers éléments conducteurs des enroulements. Un noyau est disposé dans l'évidement annulaire à l'intérieur des premiers éléments conducteurs. 2 100111 On cherche à augmenter le nombre de spires à unité de surface. En outre, un effet de proximité entres les premiers éléments peut apparaître. Exposé de l'invention [0012] C'est par conséquent un but de la présente invention (l'offrir un ensemble inductif présentant un effet (le peau réduit et un effet de proximité également réduit, et dans lequel le nombre d'enroulements réalisables est augmenté par rapport aux dispositifs de l'état de la technique. [0013] Le but énoncé ci-dessus est atteint par un dispositif inductif comportant au moins un premier élément conducteur et un substrat avec au moins un deuxième élément conducteur. Le au moins premier élément conducteur s'étend dans au moins un plan différent du substrat, ledit au moins un premier élément conducteur étant relié électriquement à au moins un deuxième élément conducteur, ledit au moins un premier élément conducteur étant configure de sorte que son emprise au sol soit réduite par rapport aux dispositifs de l'état de la technique. [0014] Pour cela le premier élément conducteur comporte deux faces de grande surface séparées par une faible épaisseur et formant un chemin conducteur comportant des première et deuxième portions connectées chacune à un deuxième élément conducteur et une troisième portion de connexion entre les première et deuxième portions, la troisième portion étant orientée de sorte que les lignes de courant sont à des distances différentes du substrat en considérant une direction transversale des faces par rapport à la circulation du courant. [0015] En d'autres termes le ou les premiers éléments conducteurs ont une forme telle que tout en présentant une même section de passage de courant, leur projection sur le substrat est sensiblement réduite. [0016] Ainsi, le nombre de premiers éléments conducteurs qui peut être monté sur le substrat est augmenté, ainsi que le nombre spires formé. [0017] Lc dispositif selon l'invention est de fabrication facilitée par rapport aux dispositifs inductifs de l'état de la technique, en particulier ceux présentant un contour fermé, tel que les dispositifs de forme torique. [0018] Selon l'invention, les premiers éléments conducteurs s'étendent principalement trans- versalement par rapport au substrat, ce qui réduit sensiblement l'emprise au sol de chaque premier élément conducteur. Le nombre d'enroulements réalisable est sensiblement augmenté. [0019] Une partie du circuit inductif est réalisée dans le substrat et une autre partie est réalisée au-dessus du substrat et peut mettre en oeuvre plusieurs conducteurs électriques au-dessus du substrat disposés côte à côte. Dans un exemple avantageux, les premiers éléments conducteurs sont plans et sont orthogonaux au substrat, leur 3 projection se réduit à l'épaisseur du premier élément conducteur [0020] Dans un exemple de réalisation, les premiers éléments conducteurs ont des formes de U, les extrémités libres du U étant connectées aux deuxièmes conducteurs. [0021] Par exemple Les premiers éléments conducteurs peuvent être découpés dans des plaques métalliques, par exemple dans des plaques de cuivre, ou être réalisés séparément sous la forme d'un circuit imprimé, par exemple par dépôt d'au moins une ligne conductrice sur un substrat isolant, par exemple en époxy. [0022] La présente invention est particulièrement avantageuse pour réaliser des dispositifs inductifs à contour fermés, telle que des dispositifs toriques qui sont très difficilement réalisables par les techniques classiques d'enroulement. La présente invention est également très avantageuse pour réaliser des dispositifs inductifs de type E-I, puisqu'elle évite de mette en oeuvre un noyau en plusieurs parties dans lequel la présence d'un entrefer ne peut pas être évité. [0023] La présente invention permet également de manière aisée de réaliser simultanément plusieurs bobinages, par exemple pour réaliser un transformateur de courant ou de tension. [0024] En variante, des premiers éléments conducteurs sont connectés au substrat sur les deux faces du substrat comportant chacune des seconds éléments conducteurs. [0025] La présente invention présente l'avantage de permettre de réaliser des dispositifs inductifs sur des plaques de circuits imprimés qui peuvent intégrer d'autres fonctions. Ainsi l'invention permet d'atteindre un haut niveau d'intégration. [0026] La présente invention a alors pour objet un ensemble inductif comportant au moins n premiers éléments conducteurs et un substrat comportant au moins n deuxièmes éléments conducteurs, n étant un entier supérieur ou égal àl, chaque premier élément conducteur s'étendant au moins en partie dans un plan différent du substrat, et comportant une première extrémité et une deuxième extrémité reliées par un chemin conducteur électrique, le chemin conducteur comportant une première portion connectée électriquement à un des deuxièmes éléments conducteurs par la première extrémité, et une deuxième portion connectée électriquement à l'autre desdits deuxièmes éléments conducteurs par la deuxième extrémité, et au moins une troisième portion de connexion entre la première portion et la deuxième portion, le chemin conducteur comportant également deux faces reliées par des bords, lesdites faces présentant une surface très grande par rapport à celle des bords de sorte que le chemin conducteur présente une faible épaisseur, les faces présentant une dimension transversale par rapport à la direction de circulation du courant électrique dans ledit chemin conducteur. Les première, deuxième et troisième portions sont orientées de sorte que les lignes de courant circulant dans la troisième portion soient situées à des distances différentes du substrat dans la direction transversale des faces. [0027] De préférence, n est supérieur ou égal à 2, et une première portion d'un élément conducteur électrique est connectée électriquement à un des deuxièmes éléments conducteurs par la première extrémité, et une deuxième portion de l'élément conducteur électrique est connectée électriquement à l'autre desdits deuxièmes éléments conducteurs par la deuxième extrémité. [0028] De préférence, la dimension transversale est sensiblement constante le long du chemin conducteur entre la première extrémité et la deuxième extrémité. [0029] Dans un exemple de réalisation, chaque premier élément conducteur est contenu dans un ou plusieurs plans, chaque plan étant orthogonal au substrat. Dans un exemple avantageux, chaque premier élément conducteur est contenu entièrement dans un plan distinct des plans contenant les autres premiers éléments conducteurs. [0030] Dans une configuration, les n premiers éléments conducteurs et les n deuxièmes éléments conducteurs sont connectés électriquement formant un seul dispositif inductif. [0031] Dans une autre configuration, au moins une première partie des premiers éléments conducteurs et deuxièmes éléments conducteurs sont reliées électriquement entre eux et une deuxième partie des premiers éléments conducteurs et deuxièmes éléments conducteurs sont reliées électriquement entre eux et isolées électriquement de la première partie des premiers éléments conducteurs et deuxièmes éléments conducteurs, formant deux dispositifs inductifs. [0032] Dans un exemple de réalisation, les premiers éléments conducteurs ont la forme de U, les première et deuxième portions formant les branches du U et la troisième portion forme le fond du U. [0033] Les première et deuxième extrémités peuvent comporter au moins une patte de connexion mécanique et/ou électrique. Dans un exemple avantageux, le substrat comporte des orifices dans lesquels sont insérées les pattes de connexion. [0034] Chaque patte de connexion peut être maintenue dans un orifice par coopération mécanique avec la paroi de l'orifice et/ou par une brasure. [0035] Dans un autre exemple de réalisation, l'ensemble comporte des premiers éléments conducteurs sur une face du substrat et des premiers éléments conducteurs sur l'autre face du substrat. [0036] Par exemple, les n premiers éléments conducteurs et les n deuxièmes éléments conducteurs sont répartis radialement de sorte à former un ou plusieurs dispositifs inductifs toriques. [0037] Les deuxièmes éléments conducteurs peuvent être répartis dans plusieurs plans sen- siblement parallèles du substrat. [0038] Selon un exemple de réalisation, les premiers éléments conducteurs sont découpés dans une plaque de matériau conducteur électrique. Selon un autre exemple, chaque premier élément conducteur comporte un substrat en matériau isolant électrique et une piste en matériau conducteur électrique entre la première et la deuxième extrémité et formant le chemin conducteur. [0039] Le substrat est avantageusement un circuit imprimé. [0040] Les premiers éléments conducteurs sont maintenus solidaires les uns aux autres par un matériau isolant électrique surmoulé. [0041] La présente invention a également pour objet un transformateur électrique comportant au moins un ensemble inductif selon l'invention. La première partie des premiers éléments conducteurs et deuxièmes éléments conducteurs forment un primaire et la deuxième partie des premiers éléments conducteurs et deuxièmes éléments conducteurs forme un secondaire. [0042] La présente invention a également pour objet un procédé de fabrication d'un ensemble inductif selon l'invention, comportant : - la fabrication de n premiers éléments conducteurs, - la fabrication du substrat avec les n deuxièmes éléments conducteurs, le montage des n premiers éléments conducteur, comprenant : - la fixation mécanique des n premiers éléments conducteurs sur le substrat, - la connexion électrique de chaque premier élément conducteur à deux deuxièmes éléments conducteurs. [0043] Les n premiers éléments conducteurs peuvent être fabriqués par découpe d'une plaque en matériau conducteur électrique, ou les n premiers éléments conducteurs sont fabriqués à partir d'un circuit imprimé. [0044] Lors du montage, des pattes de connexion des premiers éléments conducteurs sont par exemple insérées dans des orifices du substrat. [0045] Dans un exemple de réalisation, la fixation mécanique et la connexion électrique sont réalisées par brasure de pattes de connexion des premiers éléments conducteurs sur et/ ou dans les deuxièmes éléments conducteurs et/ou par insertion des pattes des orifices du substrat. [0046] Préalablement au montage, les n premiers éléments conducteurs peuvent être disposés les uns pal- rapport aux autres de manière fixe et être ensuite montés simultanément sur le substrat. [0047] De préférence, les n premiers éléments conducteurs sont montés dans un outil. [0048] Dans un exemple de réalisation, un matériau isolant électrique est surmoulé sur les premiers éléments conducteurs et sont maintenus immobiles les uns par rapport aux autres. Brève description des dessins [0049] La présente invention sera mieux comprise sur la base de la description qui va suivre 6 et des dessins en annexe sur lesquels: [0050] [fig.1] est une vue en perspective d'un exemple de réalisation d'un dispositif inductif selon l'invention, [0051] [fig.2A] est une vue de côté d'un exemple de réalisation d'un premier élément conducteur, [0052] [fig.2A1 est une vue en perspective du premier élément conducteur de la figure 2A, [0053] [fig.2B] est une vue de côté d'un autre exemple de réalisation d'un premier élément conducteur, [0054] [fig.2C] est une vue de côté d'un autre exemple de réalisation d'un premier élément conducteur, [0055] [fig.2D] est une vue en perspective d'un autre exemple de réalisation d'un premier élément conducteur connecté au substrat, [0056] [fig.3] est une vue de face d'un autre exemple de réalisation d'un premier élément conducteur réalisé sous la forme d'un circuit imprimé, [0057] [fig.4] est une vue de dessus du substrat du dispositif de la figure 1 représenté seul, supportant les seconds éléments conducteurs, [0058] [fig.5] est une représentation schématique d'une vue de détail du dispositif de la figure 1, [0059] [fig.6A] est une vue en perspective d'un autre exemple d'un premier élément conducteur s'étendant dans plusieurs plans, [0060] [fig.6B] est une vue de dessus de plusieurs premiers éléments conducteurs de la figure 6A, [0061] [fig.7A] est une vue en perspective d'un autre exemple d'un premier élément conducteur s'étendant dans plusieurs plans, [0062] [fig.7B] est une vue en perspective de plusieurs premiers éléments conducteurs de la figure 7A, [0063] [fig.8] est une vue de dessus d'un exemple de substrat permettant la réalisation de deux dispositifs inductifs en utilisant des éléments conducteurs de forme identique ou similaire à ceux du dispositif de la figure 1, [0064] [fig.9] est une vue en perspective d'un exemple de dispositif inductif selon l'invention comportant un grand nombre de spires. [0065] EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS [0066] Dans la description, le terme « conducteur » signifie « conducteur électrique ». [0067] Dans la présente demande, on entend par « substrat » un élément plan ou sen- siblement plan comportant une partie en matériau isolant électrique et plusieurs pistes conductrices qui s'étendent au moins dans le plan du substrat. Le substrat peut comporter des pistes conductrices dans plusieurs niveaux du substrat, de préférence parallèles entre eux et pouvant être connectées par des vias. Typiquement un substrat est 7 fabriqué par les techniques de la microélectronique. Un circuit imprimé ou PCB (Printed Circuit Board en terminologie anglo-saxonne) est un exemple de substrat selon l'invention. [0068] Sur la figure 1, on peut voir un exemple de réalisation d'un dispositif inductif selon l' invention comportant un substrat 2, une pluralité de premiers éléments conducteurs électriques El et un noyau 4 disposé dans l'espace délimité par le substrat 2 et les premiers éléments conducteurs El . [0069] Dans cet exemple, le substrat s'étend dans le plan XY et les premiers éléments conducteurs El s'étendent dans des plans orthogonaux au plan XY et contenant la direction Z. [0070] Dans cet exemple, le substrat 2 a la forme d'un disque et le noyau 4 a une forme d'anneau de diamètre extérieur inférieur au diamètre du substrat, de sorte à ménager un rebord annulaire extérieur sur le substrat pour fixer une extrémité libre des premiers éléments conducteurs El . [0071] Les premiers éléments conducteurs El sont fixés sur le substrat 2 qui forme à la fois un support mécanique et un connecteur électrique. [0072] Sur la figure 2A, on peut voir un exemple de premier élément conducteur El re- présenté seul. Dans cet exemple, le premier élément conducteur El est contenu dans un plan et a une forme de U, dont les deux extrémités libres E1.1, E1.2 sont destinées à être fixées au substrat 6. Les branches sont désignées par Bl, B2 et le fond 15 du U reliant les deux branches. [0073] Le premier élément conducteur comporte un chemin conducteur CC reliant les deux extrémités E1.1 et E1.2. Le chemin conducteur CC a une dimension transversale L qui est perpendiculaire à la direction de circulation du courant symbolisée par les lignes de courant II, 12, 13 sur la figure 5. De préférence, la dimension transversale L est sensiblement constante le long du chemin conducteur entre la première et la deuxième extrémité. [0074] De préférence, le chemin conducteur CC de chaque premier élément conducteur El et le chemin conducteur de chaque deuxième élément conducteur E2 présentent des sections de passage de courant proches ou égales. [0075] Sur la figure 2K, on peut voir le chemin conducteur CC comportant deux faces F de grandes dimensions reliées par un rebord R. Les deux faces sont séparées par une distance e faible par rapport aux autres dimensions du premier élément conducteur et qui correspond à l'épaisseur du chemin conducteur. [0076] Le premier élément conducteur El présente une hauteur h. Dans cet exemple les deux branches BI et B2 du U présentent la même hauteur h. [0077] Le fond du U ou portion de connexion 15 a une dimension 1 entre les deux branches B2. B2. 8 [0078] De préférence c/L 0,5 mm, 1 > 1 mm et 10