Nouveaux noyaux d'inductance pour des composants de puissance plus petits, plus silencieux et plus fiables

9th December 2019
Posted By : Victoria Chercasova
 Nouveaux noyaux d'inductance pour des composants de puissance plus petits, plus silencieux et plus fiables

Des noyaux en matériaux composites ont permis aux fabricants d'inducteurs de conditionner des inductances élevées dans un petit volume. La nouvelle technologie FlakeComposite élève les performances des noyaux d'inducteur à un niveau supérieur et apporte une meilleure résilience mécanique pour permettre de concevoir de nouveaux types de composants à profil bas.

Les inducteurs de puissance sont des dispositifs cruciaux pour gérer le flux d’énergie dans les convertisseurs à commutation, afin d'assurer une distribution de puissance fluide et d'aider à coordonner la commutation. La valeur d'inductance est sélectionnée pour stocker assez d'énergie pour que le courant circule suffisamment longtemps afin que le circuit fonctionne correctement lorsque l'interrupteur principal est en position éteinte.

Sachant que la valeur de l'inductance est calculée différemment selon le type de convertisseur, une valeur d'inductance élevée par rapport à la taille, pour une intensité nominale donnée, est généralement souhaitable afin de pouvoir prendre en charge le mode de courant continu (CCM), le mode de courant discontinu (CDM) ou le fonctionnement résonant. Des performances stables dans la plage de fréquences prévue sont également nécessaires, tandis qu'une stabilité de la température et une température de fonctionnement maximale élevée sont requises pour des applications telles que l'automobile ou l'aérospatiale.

Concevoir des inducteurs à la pointe de la technologie

Les propriétés d’un inducteur sont limitées par les lois de la physique. Une ingénierie minutieuse du matériau du noyau aide à repousser ces limites afin de donner aux ingénieurs la meilleure combinaison possible de paramètres pour leur application. Les matériaux couramment utilisés pour le noyau comprennent les ferrites de manganèse-zinc (Mn-Zn) et de nickel-zinc (NiZn), mais il existe également des noyaux en poudre métallique qui comprennent des grains en alliage spécialement formulé séparés par un liant isolant. Des inducteurs à couche mince peuvent également être créés en déposant des alliages à base de cobalt, permettant d'obtenir une perméabilité élevée avec de bonnes performances de saturation, bien qu'il soit difficile d'augmenter le volume du noyau pour répondre aux applications en puissance.

Les noyaux en ferrite ont une perméabilité élevée, allant jusqu'à environ 300 pour les matériaux NiZn, et encore au-delà pour le MnZn, bien qu'il y ait quelques inconvénients. Ces matériaux ont tendance à être cassants et ne sont donc pas adaptés pour être incorporés dans des PCB ou pour créer des inductances dans des formes à profil bas telles que celles des dispositifs à flux latéral planaire. De plus, ils peuvent subir une saturation abrupte conduisant à une forte diminution de l'inductance avec une augmentation de la polarisation du courant continu.

En ce qui concerne les noyaux en poudre, les alliages populaires comprennent le fer-silicium (FeSi) ou le fer-silicium-aluminium (FeSiAl), ainsi que d'autres compositions comme le fer amorphe et du permalloy. Grâce à leur structure à base de particules, ces noyaux à entrefer distribué ont une caractéristique de saturation plus douce que pour les inducteurs à ferrite, et donc moins sensible aux faibles variations de polarisation du courant continu. En revanche, leur perméabilité est généralement inférieure d'un ordre de grandeur à celle des ferrites et le liant organique ne peut pas tolérer des températures de fonctionnement élevées.

Une nouvelle technologie de compactage de paillettes métalliques permet aujourd'hui de produire un matériau de noyau à entrefer distribué avec une perméabilité équivalente à celle de la ferrite en NiZn et une caractéristique de saturation douce comparable à celle des noyaux de poudre classiques. De plus, cette nouvelle classe de noyaux FlakeComposite offre également une plus grande stabilité en température, une température de fonctionnement maximale accrue et une meilleure flexibilité mécanique. Avec cette flexibilité accrue, il est non seulement possible de créer des inductances ultraplates, mais également d'intégrer des inductances robustes dans le PCB pour économiser de l'espace et explorer les possibilités d'intégrer aux composants actifs de nouveaux types d'inductances, tels que les inductances à flux latéral, dans les conceptions de conversion de puissance de nouvelle génération.

Comparaison des performances

La figure 1 illustre les propriétés clés de perméabilité et de saturation du matériau de noyau FlakeComposite par rapport aux noyaux en ferrite, en poudre et en couches minces.

Figure 1. FlakeComposite a une perméabilité comparable à celle de la ferrite avec une meilleure performance de saturation.

On sait que les matériaux « ferritiques » perdent leur perméabilité à hautes fréquences, à des températures élevées ou à de hautes valeurs de polarisation de courant continu, ce qui entraîne une réduction rapide de la valeur de l’inductance et donc une dégradation des performances. Pour s'assurer que les inducteurs à noyau FlakeComposite peuvent fonctionner au moins aussi bien que les inducteurs en ferrite, les performances en fonction de la fréquence, de la température et de la polarisation de courant continu sont comparées.

La figure 2 compare la dispersion en fréquence de la perméabilité complexe de FlakeComposite par rapport à la ferrite en NiZn. Les graphiques des deux matériaux montrent que la perméabilité diminue rapidement au-dessus d'environ 6 MHz, ce qui signifie que FlakeComposite peut fonctionner aussi bien, voire mieux que le NiZn, dans des convertisseurs à commutation fonctionnant jusqu'à 1 MHz.

 Figure 2. FlakeComposite offre des performances comparables à celles de la ferrite NiZn pour les applications de puissance jusqu'à des fréquences de l'ordre du MHz.

En comparant les caractéristiques de saturation magnétique, le FlakeComposite bénéficie d'un début de saturation plus doux par rapport à la ferrite NiZn, ainsi que d'une dépendance à la température réduite (figure 3).

Figure 3. La courbe de saturation magnétique est plus douce et dépend moins de la température que pour la ferrite NiZn.

La figure 4 compare les performances de polarisation en courant continu des ferrites FlakeComposite et NiZn avec celles des composites métalliques conventionnels (poudre). FlakeComposite combine les avantages des deux types, offrant une perméabilité supérieure comparable à la ferrite NiZn pour une faible polarisation tout en conservant une perméabilité plus élevée pour une forte polarisation avec une dépendance minimale en température.

Figure 4. La caractéristique de polarisation en courant continu affiche une plus grande perméabilité lorsqu'on applique un champ de polarisation en courant continu élevé.

Si la température de fonctionnement de l'inducteur atteint la température de Curie du matériau du noyau, à laquelle le noyau perd ses propriétés magnétiques, la perméabilité du noyau chute rapidement, entraînant une perte rapide d'inductance. Comme le montre la figure 5, FlakeComposite a également une température de Curie plus élevée que les ferrites NiZn ou MnZn classiques.

Figure 5. La température de Curie plus élevée du FlakeComposite permet de maintenir la valeur d'inductance à une température de fonctionnement plus élevée.

Des inducteurs plus minces permettent de réduire l'encombrement

Dans la quête permanente de réduire l’encombrement des modules de conversion de puissance, tels que les convertisseurs de PoL (Point of Load), de nouvelles conceptions intégrant des composants actifs et passifs ont été proposées. Ceux-ci utilisent des inducteurs planaires spécialement conçus pour avoir un type de flux latéral, contrairement au type de flux vertical conventionnel utilisé auparavant pour construire des inducteurs à profil bas. À mesure que l'épaisseur de l'inducteur diminue, les inducteurs à flux latéral présentent une inductance croissant au-delà de celle des dispositifs à flux vertical conventionnels. Les propriétés mécaniques de FlakeComposite permettent de concevoir des inducteurs de 50 µm à 2 mm d'épaisseur, ce qui les rend bien adaptés à la création d'inductances à flux latéral ultra-minces.

Les inducteurs extrêmement compacts mais robustes, construits en utilisant FlakeComposite, sont également intrinsèquement adaptés à l'intégration dans les circuits imprimés pour aider à réduire l'encombrement et permettre jusqu'à 40% de réduction de la hauteur de l'inducteur par rapport aux noyaux en ferrite traditionnels.

Un matériau magnétique résilient à haute perméabilité

En plus de son utilisation dans les inducteurs de puissance, la combinaison des propriétés magnétiques et mécaniques de FlakeComposite est idéale pour les applications de blindage électromagnétique, notamment la suppression des interférences électromagnétiques et le blindage des bobines de transfert de puissance sans fil pour optimiser les performances de charge et protéger les équipements électroniques à proximité. La technologie FlakeComposite est au cœur des produits Flex Suppressor® de KEMET, qui ont démontré leur capacité à atténuer le bruit électromagnétique dans de nombreuses applications.

Conclusion

FlakeComposite est une technologie innovante permettant d'optimiser les performances des noyaux d'inducteur et offrant encore plus d'opportunités de miniaturiser les circuits de conversion de puissance de demain, bien au-delà des réalisations actuelles utilisant des matériaux à noyau de ferrite classiques. En offrant une perméabilité similaire avec de meilleures caractéristiques de saturation, une meilleure performance de polarisation de courant continu et une capacité à supporter des température plus élevées, FlakeComposite permet de concevoir des inducteurs de puissance à profil bas et fournit les propriétés mécaniques nécessaires pour réaliser des inducteurs intégrés aux PCB vraiment peu encombrants.

 

 


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