Il existe trois types de composants passifs dans les circuits électroniques : les résistances, les condensateurs et les inductances, parmi lesquelles les inductances peuvent être les plus particulières en principe. Le phénomène de l'inductance a été découvert par Michael Faraday et Joseph Henry dans les années 1830 : Faraday a découvert qu'un champ magnétique changeant peut induire un courant ; Henry a étudié de manière indépendante le phénomène de « l'auto-induction », qui fait référence à l'induction de courant dans un conducteur en lui-même.
Avant que les gens ne comprennent pleinement l’électromagnétique, le fait que le simple enroulement d’un fil dans une bobine puisse modifier ses propriétés électriques était un mystère. Aux débuts de la radio, les bricoleurs utilisaient une tige magnétique ou un tube en carton de quelques centimètres de long seulement, enroulé avec des dizaines de tours de fil pour fabriquer des inductances de bobine d'accord, afin d'assembler des radios à transistors.
Le symbole schématique d'un inducteur est basé sur sa conception d'apparence physique (Figure 1). Les types d'inducteurs comprennent les creux, les noyaux de fer et les variables.
Figure 1 : Les inducteurs (figure de droite) étaient initialement formés de fils enroulés autour d'un tube creux ou d'un noyau de fer ; Les symboles principaux correspondants sont représentés sur la figure (image de gauche). (Source de l'image : Hackatronic.com)
L'inductance est une caractéristique d'un conducteur et, en raison de l'effet de son champ magnétique, le courant traversant le conducteur change souvent. Par conséquent, les inductances sont parfois appelées selfs car elles peuvent « étouffer » les changements de courant. La relation entre l'inductance (L) et le taux de variation de tension (V) et de courant (I) peut être exprimée par une équation simple : V=L (dI/dt).
Bien que les inductances à bobine enroulée soient encore largement utilisées, elles ne conviennent plus aujourd’hui à de nombreux circuits. Ils peuvent être trop grands, incapables de fournir les valeurs requises, présenter des effets parasites indésirables, avoir une résistance CC élevée (DCR) et présenter une dégradation des performances à des fréquences plus élevées. Par rapport aux premiers amateurs de radio DIY, des inducteurs bobinés prêts à l'emploi pour les applications radiofréquences (RF) avec des dimensions inférieures à 1 millimètre carré (mm2) sont désormais disponibles à l'achat.
Inductances modernes pour convertisseurs de puissance
Bien que les inductances aient fait des progrès significatifs, même les inductances à bobine améliorées présentent des défauts en termes de performances et de taille pour les circuits modernes. Les inductances de puissance modernes sont des composants de précision qui ont été soigneusement modélisés, avec leurs paramètres principaux et secondaires entièrement définis et leurs propriétés optimisées en fonction des différentes priorités d'application.
En outre, les fournisseurs ont développé de nouveaux matériaux pour répondre aux besoins de différentes topologies d'alimentation à découpage, tels que les convertisseurs à inductance primaire asymétrique (SEPIC), les convertisseurs britanniques (du nom de leur inventeur Slobodan britannique) et diverses configurations Buck Boost.
La plupart de ces inducteurs utilisent des matériaux avancés en ferrite et en poudre, et leurs caractéristiques ont été soigneusement ajustées. Ces inducteurs ont un DCR extrêmement faible (améliorant considérablement la valeur Q de l'inductance - la valeur standard pour mesurer les performances de l'inductance) et une réduction en douceur de l'inductance. Ce dernier fait référence au degré auquel la valeur réelle de l'inductance diminue ou « diminue » en raison de la saturation du noyau magnétique à mesure que le courant continu augmente, de la même manière que la réponse en fréquence d'un filtre.
Les inductances utilisées dans les alimentations doivent généralement également avoir des capacités de gestion du courant nominal relativement élevées, 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 quadratique moyen (Irms), le courant de crête (Ipeak) et le courant de saturation (Isat). Les inductances fournies par le fabricant auront différentes combinaisons de courant nominal et d'autres références de paramètres de haut niveau pour répondre aux exigences prioritaires de diverses structures topologiques.
Le fabricant a également développé des matériaux avancés et une technologie de montage en surface (SMT) (Figure 2) capables de résister à la chaleur associée sans compromettre les performances ou la fiabilité. Le type de blindage permet de minimiser les problèmes d'interférences radio (RFI) dans les applications sensibles.
Figure 2 : Les inductances CMS haute puissance peuvent désormais fournir diverses petites tailles surprenantes sans affecter les performances. (Source de l'image : Eaton)
La série d'inductances moulées HCM/HPAL de la division Eaton Electronics reflète l'avancement et la différenciation de ces inductances optimisées pour les convertisseurs. Les deux séries utilisent des matériaux d'inductance avancés, caractérisés par leur durabilité, leur courant élevé et leur faible EMI. Leur structure moulée peut fournir une inductance douce dans diverses plages de courant nominal.
Les appareils des séries HCM et HPAL sont disponibles en différentes tailles, mais leurs volumes sont relativement faibles.
Pour garantir fiabilité et robustesse, la température de fonctionnement nominale des appareils HCM/HPAL est de -55 à 125 °C (température ambiante plus auto-échauffement) et ils contiennent des inhibiteurs de rouille qui aident à prévenir la rouille de surface due aux environnements humides (niveau MSL 1).
La série HCM utilise de la poudre de fer pressée avancée avec d'excellentes performances Isat, visibles dans deux appareils représentatifs, HCM0503V2-R68-R et HCM0503V2-4R7-R. HCM0503V2-R68-R est une inductance DCR non blindée de 680 nanohenries (nH), 8 milliohms (m Ω) avec une fréquence de fonctionnement allant jusqu'à 1 mégahertz (MHz). Sa taille n'est que de 5,7 × 5,4 × 3,0 mm, avec un courant nominal de 10 ampères (A) (Irms)/12 ampères (Isat). Le HCM0503V2-4R7-R utilise la même taille de boîtier, mais convient aux situations nécessitant une inductance plus élevée. Il s'agit d'un appareil non blindé de 4,7 µH, 47 mΩ avec un courant nominal de 4,1 A (Irms)/6 A (Isat).
En revanche, les inducteurs HPAL utilisent de la poudre d'alliage pour obtenir un DCR inférieur et un Irms plus élevé tout en maintenant des pertes dans le noyau plus faibles. La plage de puissance de cette série d'inductances va de 0,15 μ H à 10 μ H et le courant est de 4,5 A à 40 A. Elle possède une fonction de blindage électromagnétique (EMI), cruciale dans certaines applications. Des exemples de dispositifs incluent HPAL1V0630-R47-R (une inductance de 470 nH, 4,1 m Ω évaluée à 18 A (Irms) et 20 A (Isat)) et HPAL1V0630-8R2-R (une inductance de 8,2 µH, 55 m Ω évaluée à 5 A (Irms) et 5,5 A (Isat)).
Le graphique de la figure 3 montre la relation d'atténuation entre l'inductance nominale, le courant continu et la température de l'inducteur HPAL1V0630-8R2-R.