Le magnétisme dans l'électronique de puissance

18th March 2019
Posted By : Victoria Chercasova
Le magnétisme dans l'électronique de puissance

Cette citation de la moitié du 20ème siècle aurait eu tout son sens 100 ans plus tôt, quand magnétisme et électromagnétisme étaient intégrés aux technologies des électrovalves, des générateurs et des moteurs, et elle tient encore en partie aujourd'hui.

 

Résumé

Pour les Anciens, le magnétisme de la magnétite était tout simplement magique, et aujourd'hui encore, on ne l'explique pas, on se contente de le décrire. Les théories ésotériques de la relativité et de manifestations de champs de particules élémentaires laissent entrapercevoir des connexions plus complexes entre magnétisme et électrostatique, mais toute explication intuitive satisfaisante reste floue. En dépit de cela, les pièces magnétiques sont omniprésentes et ont évolué dans leur construction, même si c'est à un rythme plus lent que les autres composants électroniques. Aujourd'hui, on met l'accent sur la miniaturisation et la densité de puissance pour épouser le rythme des toutes dernières technologies comme l'Internet des objets (IoT). L'ancien standard du câble rond sur bobine de plastique cède la place aux constructions planaires extra plates et à l'intégration des composants magnétiques dans le substrat, et même au niveau de la puce.

Article

Cette citation de la moitié du 20ème siècle aurait eu tout son sens 100 ans plus tôt, quand magnétisme et électromagnétisme étaient intégrés aux technologies des électrovalves, des générateurs et des moteurs, et elle tient encore en partie aujourd'hui. James Clerk Maxwell s'est appuyé sur les travaux de Gauss, Faraday et Ampère pour fonder sa théorie de l'électromagnétisme, et avec l'apparition des valves et transistors, les pièces magnétiques sont devenues des éléments clés de la conversion de puissance. À ce jour, peu de choses ont changé dans la façon d'utiliser ces composants, et les ingénieurs continuent à plaisanter sur la "magie noire" de la conception des bobines d'induction et transformateurs – peut-être pour ne pas avoir à creuser le mystère du "flux" et des "forces magnétisantes".

Pour l'essentiel, la théorie des composants magnétiques n'a que peu changé au fil des décennies, et nous avons toujours recours aux mathématiques du 19ème siècle pour effectuer les calculs de routine des techniques les plus en pointe. La science est considérée comme tout à fait fondamentale, avec très peu d'espoir de changement radical, à moins de bouleverser les lois fondamentales de la physique. Le magnétisme est donc considéré comme une technologie à la traîne, qui coûte cher en pièces et main-d'œuvre dans les applications de conversion de puissance, et comme un frein majeur à la miniaturisation. Toutefois, les techniques de fabrication et les matériaux utilisés pour les noyaux ont évolué de façon significative, suite à la pression extrême qui a été exercée pour des fonctions de conversion de puissance de plus en plus compactes dans des applications comme la téléphonie mobile, l'IoT et les accessoires connectés. 

Les fils ronds ont fait place à des formats plats et carrés ainsi qu'à des bobinages en bande. Les matériaux utilisés pour le noyau ont fait des progrès, pas en termes de fonctionnement fondamental, mais de pertes en présence de hautes fréquences, permettant à la conversion de puissance en mode commuté de fonctionner dans la zone des MHz. Le fonctionnement à haute fréquence est le facteur clé du bas coût et de la miniaturisation ; en effet, les mathématiques du 19ème siècle nous indiquent que les spires (et donc les dimensions et les pertes de cuivre qui s'ensuivent) et le poids diminuent avec la fréquence, toutes autres choses étant égales par ailleurs.

Avec l'évolution des petits formats extra plats, la fabrication des composants magnétiques a évolué du modèle à  insérer au module à monter en surface, puis au magnétisme planaire intégré au circuit imprimé, pour tendre vers les inductances de la taille d'une puce et les transformateurs encapsulés dans du silicium. Cette évolution a fait baisser les coûts, en particulier de la main-d'œuvre. Les transformateurs bobinés utilisant du fil magnétique peuvent être assemblés avec un certain niveau d'automatisation, mais il y a toujours un certain coût de manutention et les performances du produit fini sont variables. Même l'enroulement toroïdal peut être automatisé, avec des diamètres de noyau de quelques millimètres seulement et des fils de l'ordre de 0,05 mm, mais le raccordement électrique de ces ensembles est encore plus variable.

Avec la miniaturisation des transistors, les concepteurs de transformateurs sont confrontés à une autre force naturelle fondamentale : les agences nationales de la sécurité. Il faut que l'isolation requise, qui atteint souvent plusieurs milliers de volts, soit supportée par le matériau isolant entre les enroulements. Les lignes de fuite et distances d'isolement dans l'air imposent également une limite pratique quand le transformateur doit former une barrière de sécurité contre des tensions létales. Des câbles exotiques ont été mis au point, qui fournissent une isolation galvanique répondant aux exigences de ces agences, généralement en utilisant plusieurs couches d'isolant de façon à ce que défauts et piqûres ne puissent s'accumuler et provoquer des défaillances. Sinon, il faut utiliser des isolants solides ou avoir recours à de grandes distances d'isolement, ce qui réduit le couplage entre les enroulements et détériore les performances.

Les pertes qui surviennent dans les composants magnétiques se classent en plusieurs catégories : tout d'abord, "l'effet de peau", dans lequel, à fréquence élevée, le courant a tendance à ne circuler qu'en surface des conducteurs, ce qui a pour effet d'augmenter la résistance du conducteur ; ensuite, l'effet de proximité et les courants de Foucault, où le champ magnétique des enroulements se déplace dans la structure du composant, et est à l'origine de courants de circulation et des pertes ohmiques qui les accompagnent ; enfin, il y a les pertes fer. La Figure 1 montre, pour différents matériaux, les variations de pertes fer dues au travail d'alignement cyclique des domaines magnétiques en sens alternés. À noter que pour un matériau et une fréquence donnés, la perte est exprimée en Watts par unité de volume. L'effet positif est que les petits noyaux connaissent naturellement moins de pertes dans des conditions données. La Figure 2 montre la puissance pouvant être atteinte avec certains matériaux exotiques comme les ferrites à liant polymère ou les films granulaires, qui offrent le potentiel prometteur de pouvoir fonctionner avec des pertes raisonnables à 100 MHz et au-delà. Toutefois, la densité de puissance à ces fréquences est limitée.

Les transformateurs planars, extra plats et dont les enroulements sont généralement formés de pistes de circuits imprimés ou de pièces métalliques estampées, sont choisis pour les produits du commerce à haute puissance. Les matériaux standard actuellement disponibles fonctionnent jusqu'à 30 MHz environ et cette construction, bien que complexe et relativement coûteuse en matériaux, offre l'avantage non négligeable de performances très reproductibles, ce qui a été prouvé par simulation. La construction plate aux surfaces de grandes dimensions permet aussi une dissipation efficace de la chaleur. La Figure 3 compare la propagation de la chaleur d'un transformateur à bobines et d'un transformateur planar dans des conditions similaires. Les inconvénients de la construction planar sont la difficulté relative à atteindre des lignes de fuite et distances d'isolement importantes pour le sectionnement de sécurité, et des capacités parasites qui peuvent être élevées entre les larges enroulements plats. Toutefois, l'isolement des enroulements est simple à réaliser, de sorte que les effets de la perturbation électromagnétique peuvent être simulés et contrôlés.

Le magnétisme planar utilise généralement des noyaux plats ‘E’ discrets et un empilement d'enroulements PCB, soit en tant qu'ensemble distinct, soit, parfois, comme élément d'une carte-mère. L'étape suivante consiste tout naturellement à intégrer le matériau magnétique lui-même dans les couches de l'enroulement. Diverses techniques apparaissent comme évidentes, parmi lesquelles mouler le ferrite autour de es enroulements afin de maximiser le volume du noyau et la puissance comme dans les inductances Murata FDSD ; encapsuler le film de matériaux magnétique dans les circuits imprimés ; ou encore encapsuler des bobinages discrets dans les couches du circuit imprimé PCB et former des enroulements avec des pistes et des microvia comme dans les convertisseurs Murata Power Solutions des séries NXE et NXJ DC-DC. Bien conçus et avec un contrôle strict des processus, les transformateurs encapsulés dans le substrat peuvent présenter l'importante isolation galvanique qu'exige l'agence nationale de la sécurité. À l'échelle du chip, inductances moulées sont intégrées au substrat de silicium et côtoient des puces câblées. Le convertisseur DC-DC non isolé ‘Micro-DC-DC’ de Murata va encore plus loin en utilisant le noyau magnétique comme substrat recevant l'électronique de commande. Cela donne un composant ultra miniaturisé avec d'excellentes caractéristiques de perturbation électromagnétique compte tenu des trajets électriques très courts.

Le magnétisme à l'échelle de la puce est un outil stratégique pour l'IoT et d'autres technologies comme la récupération de l'énergie, mais à haute puissance, il doit aussi tenir les promesses de dispositifs de commutation à grande bande interdite comme les MOSFET au carbure de silicium (SiC) et au nitrure de gallium (GaN). La vitesse de commutation de ces composants peut atteindre des milliers de MHz, avec de faibles pertes à puissance et température élevées, mais le magnétisme fait tout pour être à la hauteur, au moins en ce qui concerne la faiblesse des pertes. Des modèles pratiques ont été réalisés avec du SiC, par exemple à plus de 100 kW et à des fréquences relativement basses, afin de maintenir le coût du ferrite à un niveau raisonnable tout en limitant les pertes fer. Les courants qui vont de pair avec ces puissances élevées plaident en la faveur du modèle planar avec enroulement de cuivre embouti et refroidissement actif de l'assemblage par eau ou par air. Le magnétisme planar à puissance et fréquence élevées permet aussi de bien contrôler les caractéristiques parasites comme l'inductance de fuite. Cela peut être crucial dans des topologies de conversion à puissance et fréquence élevées qui utilisent l'inductance de fuite pour obtenir une commutation à faibles pertes dans le cadre d'un réseau résonnant. 

Évolution plutôt que révolution est le mot d'ordre des composants magnétiques, même s'ils mettent vraiment un peu de "magie" dans l'univers de la conversion de puissance.


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