Inductances de puissance : améliorer les performances grâce à de nouveaux matériaux et de nouvelles techniques de fabrication

Parmi les trois composants passifs des circuits électroniques, à savoir les résistances, les condensateurs et les inductances, ces dernières sont probablement les plus étranges dans leur principe. L'inductance a été découverte dans les années 1830 par Michael Faraday, qui a constaté qu'un champ magnétique variable pouvait induire un courant électrique, et par Joseph Henry, qui a étudié indépendamment « l'auto-induction », phénomène par lequel un conducteur induit un courant en lui-même.

Avant que l'électromagnétisme ne soit mieux compris, on ignorait comment le simple fait d'enrouler un fil en bobine pouvait modifier ses propriétés électriques. Aux débuts de la radio, les passionnés de bricolage construisaient des radios à cristal en utilisant une inductance de bobine d'accord composée de dizaines de tours de fil sur une tige ou un tube en carton de quelques centimètres de long.

Le symbole schématique de l'inductance est basé sur son apparence physique (Figure 1). Les options incluent les inductances à noyau à air, à noyau de fer et variables.

Figure 1 : Les inductances (à droite) étaient à l'origine constituées d'un fil enroulé autour d'un noyau à air ou de fer. Les symboles schématiques correspondants sont illustrés (à gauche). (Source de l'image : Hackatronic.com)

L'inductance est la propriété d'un conducteur qui, en raison de son champ magnétique, tend à s'opposer aux variations du courant qui le traverse. C'est pourquoi les inductances sont parfois appelées bobines d'arrêt, en ce sens qu'elles bloquent les variations du flux de courant. La relation entre l'inductance (L), la tension (V) et le taux de variation du courant (I) est exprimée par une équation simple : V = L (dI/dt).

Bien qu'elles soient encore largement utilisées, les inductances bobinées ne conviennent pas à de nombreux circuits actuels. Elles peuvent notamment être trop grandes, incapables de fournir les valeurs requises, présenter des parasites indésirables, avoir une résistance en courant continu (DCR) trop élevée et montrer une dégradation des performances à hautes fréquences. Contrairement à l'époque des premiers bricoleurs radio, il est désormais possible d'acheter des inductances bobinées prêtes à l'emploi pour des applications radiofréquences (RF) de moins de 1 mm².

Inductances modernes pour convertisseurs de puissance

Même si les inductances ont beaucoup évolué, les versions filaires améliorées restent insuffisantes pour les circuits modernes en termes de performances et de taille. Les inductances de puissance modernes sont des composants de précision qui sont soigneusement modélisés et entièrement spécifiés pour les paramètres primaires et secondaires, avec des attributs optimisés pour différentes priorités d'application.

En outre, les fournisseurs ont mis au point de nouveaux matériaux pour répondre aux différents besoins des topologies d'alimentation à découpage, comme les convertisseurs SEPIC, les convertisseurs Cuk (du nom de leur inventeur, Slobodan Ćuk) et diverses configurations de type abaisseur-élévateur.

La plupart de ces composants utilisent des matériaux avancés à base de ferrite et de poudre, aux caractéristiques soigneusement adaptées. Ces inductances offrent une résistance DCR extrêmement faible, ce qui augmente considérablement le facteur Q de l'inductance (un facteur de mérite standard pour les performances d'inductances), ainsi qu'une faible atténuation de la valeur d'inductance. Cette dernière est une mesure de la diminution de la valeur d'inductance réelle, due à la saturation du noyau magnétique lorsque le courant continu augmente. Elle est comparable à l'atténuation de la réponse d'un filtre par rapport à la fréquence.

Les inductances utilisées dans les alimentations doivent souvent avoir une capacité de tenue en courant relativement élevée, généralement de l'ordre de plusieurs dizaines d'ampères. Ce paramètre n'est pas défini par une valeur unique mais par plusieurs valeurs, telles que le courant efficace (I_rms), le courant de crête (I_peak) et le courant de saturation (I_sat). Les fournisseurs proposent des inductances avec différentes combinaisons de courant nominal et d'autres paramètres importants pour répondre aux priorités des différentes topologies.

Les fournisseurs ont également mis au point des matériaux avancés et des technologies de montage en surface (CMS) (Figure 2) capables de supporter la chaleur associée sans perte de performances ou de fiabilité. Les versions blindées permettent de minimiser les problèmes d'interférences RF (RFI) dans les applications sensibles.

Figure 2 : Les inductances CMS haute puissance sont désormais disponibles dans une variété de formats étonnamment compacts, sans compromis sur les performances. (Source de l'image : Eaton)

Les gammes d'inductances moulées HCM/HPAL d'Eaton-Electronics Division témoignent des avancées et de la différenciation de ces inductances optimisées pour les convertisseurs. Les deux gammes utilisent des matériaux d'inductance avancés pour garantir la robustesse, des courants élevés et de faibles interférences électromagnétiques, tandis que leur construction moulée fournit une atténuation progressive de l'inductance sur une large plage de courants nominaux.

Les dispositifs des séries HCM et HPAL sont disponibles dans un vaste choix de tailles, tout en restant relativement petits.

Pour garantir fiabilité et robustesse, les dispositifs HCM/HPAL ont une température de fonctionnement nominale comprise entre -55°C et +125°C (température ambiante plus auto-échauffement), et ils sont dotés d'un agent antirouille pour prévenir la rouille de surface due aux environnements humides (niveau de sensibilité à l'humidité (MSL) 1).

La gamme HCM utilise une poudre de fer pressé avancée pour une valeur I_sat supérieure, comme en attestent deux composants représentatifs, le HCM0503V2-R68-R et le HCM0503V2-4R7-R. Le HCM0503V2-R68-R est une inductance non blindée de 680 nH à valeur DCR de 8 mΩ pour un fonctionnement jusqu'à 1 MHz. Il ne mesure que 5,7 mm × 5,4 mm × 3,0 mm et présente des courants nominaux de 10 A I_rms)/12 A (I_sat). Le HCM0503V2-4R7-R est fourni dans la même taille de boîtier mais convient lorsqu'une valeur d'inductance plus élevée est requise. Ce dispositif non blindé de 4,7 µH, 47 mΩ est répertorié pour 4,1 A (I_rms)/6 A (I_sat).

Les inductances HPAL, quant à elles, utilisent des poudres d'alliage pour atteindre une résistance DCR plus faible et des valeurs I_rms plus élevées tout en maintenant de faibles pertes dans le noyau. Les inductances de cette gamme, qui couvrent de 0,15 μH à 10 μH et de 4,5 A à 40 A, sont dotées d'un blindage électromagnétique (EMI), une caractéristique essentielle dans certaines applications. Les exemples de dispositifs incluent le HPAL1V0630-R47-R, une inductance de 470 nH, 4,1 mΩ répertoriée à 18 A (I_rms) et 20 A (I_sat), et le HPAL1V0630-8R2-R, une inductance de 8,2 µH, 55 mΩ répertoriée à 5 A (I_rms) et 5,5 A (I_sat).

Le graphique de la Figure 3 montre la relation d'atténuation entre l'inductance nominale, le courant CC et la température pour l'inductance HPAL1V0630-8R2-R.

Figure 3 : Caractéristiques d'atténuation et de comportement associé pour l'inductance HPAL1V0630-8R2-R. (Source de l'image : Eaton)

Conclusion

Grâce à l'utilisation de matériaux, de techniques de fabrication et de boîtiers avancés, les inductances modernes ont beaucoup évolué par rapport à leurs prédécesseurs à bobine. Elles offrent une haute densité dans des boîtiers CMS compacts, un vaste choix de valeurs d'inductance et de courant nominal avec une faible résistance, ainsi que de nombreuses autres caractéristiques nécessaires pour des alimentations et des convertisseurs sophistiqués, performants, efficaces et compacts.