Inducteurs de stockage pour des applications écoénergétiques

Ce article est publié par pÉlectrique dans le cadre d’un partenariat exclusif de contenu numérique avec Bodo’s Power Systems.

Les dispositifs à haute efficacité énergétique sont cruciaux pour la conservation des ressources et la protection de l’environnement. Plus les composants électroniques sont efficaces, plus la durée de vie des batteries pour les appareils mobiles est prolongée, et moins la demande énergétique dans les grandes installations industrielles et de serveurs est élevée. L’alimentation joue un rôle déterminant dans la base des dispositifs à haute efficacité énergétique. Bien que les régulateurs linéaires aient été les régulateurs de tension les plus utilisés par le passé, les circuits modernes d’électronique de puissance utilisent désormais des alimentations à découpage. La réduction continue des tensions de processeur a contribué à ce changement. Il y a quelques années, des fréquences de découpage allant jusqu’à 300 kHz étaient courantes, mais aujourd’hui, les régulateurs à découpage modernes basés sur des transistors GaN et SiC fonctionnent généralement à des fréquences dans la bande des MHz. Les pertes de découpage, d’une part, et en particulier les pertes de l’inducteur de stockage dans cette gamme de haute fréquence, d’autre part, sont des aspects critiques dans la conception des alimentations à découpage.

En plus de l’efficacité énergétique, l’augmentation de la demande énergétique devient de plus en plus importante. Les ordinateurs deviennent plus puissants, ce qui, à son tour, nécessite des alimentations plus puissantes. Cela signifie que les alimentations à découpage doivent fournir des courants plus élevés, et par conséquent, les inducteurs de puissance doivent avoir des capacités de transport de courant significativement supérieures. Réaliser cette capacité est encore compliqué par la tendance à la miniaturisation. Les alimentations à découpage doivent devenir plus petites et plus compactes tout en fournissant la même puissance, voire une puissance supérieure dans un volume réduit. Cela augmente les exigences en matière de densité de puissance de l’inducteur.

Pour répondre à ces exigences, des recherches continues sont menées sur de nouveaux mélanges de matériaux à base d’alliages de fer afin de réduire encore les pertes de matériau de noyau dans les inducteurs de stockage à courant élevé. La série WE-MXGI a été développée sur cette base, combinant la meilleure densité de puissance possible et la capacité de transport de courant avec les plus faibles R_DC et des pertes propres minimales, grâce à une sélection de matériaux intelligente et à une technologie de fabrication avancée.

Les concepteurs d’alimentations sont soutenus par la plateforme de conception en ligne REDEXPERT, qui permet de déterminer les pertes DC et AC des inducteurs de stockage avec une précision sans précédent. Cela est réalisé par un processus soutenu par des mesures qui permet des calculs des pertes de noyau beaucoup plus précis que ce qui serait possible avec les formules de Steinmetz.

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Aperçu des inducteurs de stockage WE-MXGI

L’inducteur de stockage WE-MXGI représente la dernière série de bobines de Würth Elektronik dans le groupe des inducteurs moulés. Dans les ferrites traditionnelles, le fil en cuivre est généralement enroulé autour du noyau et soudé ou fixé au terminal. L’anneau de blindage externe est monté et collé avec le noyau interne et le bobinage. Contrairement à une ferrite, la poudre de noyau est composée d’un alliage de fer innovant qui est moulé autour du bobinage, procurant au WE-MXGI des valeurs d’inductance élevées dans un format compact. La construction unique du noyau offre un effet d’auto-blindage.

Le matériau du noyau est stable en température, ne montrant aucun signe de vieillissement thermique, avec un comportement de saturation doux et un minimum de dérive de saturation sur une large plage de températures. Il possède également une haute résistance diélectrique, permettant une spécification de tension de fonctionnement de 80 V. Une explication de la manière dont Würth définit la tension de fonctionnement peut être trouvée dans Application Note ANP126. Une couche protectrice supplémentaire est appliquée à la surface pour rendre le noyau résistant aux influences environnementales et à la formation de rouille.

La plupart des inducteurs moulés sur le marché contiennent encore un clip auquel le bobinage est soudé. En revanche, le WE-MXGI utilise une méthode de contact direct, éliminant les processus de soudage et de soudure en reliant directement le bobinage aux pads de connexion du composant. En éliminant le clip, l’espace à l’intérieur du matériau du noyau est optimisé, permettant un diamètre de bobine plus grand et l’utilisation de fil en cuivre plus épais. Cela se traduit par une résistance DC (R_DC) de la bobine considérablement réduite (Figure 1).

Figure 1. La méthode de contact direct du WE-MXGI permet d’obtenir des valeurs de RDC faibles. Image utilisée avec la permission de Bodo’s Power Systems []

Dans les applications, le début du bobinage est généralement connecté au nœud de commutation du régulateur à découpage, et le composant est marqué en conséquence. Cela réduit les effets de couplage et les perturbations du nœud de commutation, qui est protégé par le bobinage. Grâce à la géométrie du fil optimisée du WE-MXGI, basée sur un fil rond, cet effet de blindage est possible. Les produits basés sur un fil plat, couramment trouvés sur le marché, ne bénéficient pas de cet effet (Figure 2).

Figure 2. Une construction de bobinage et de noyau auto-blindée garantit une meilleure performance en CEM. Image utilisée avec la permission de Bodo’s Power Systems []

La série WE-MXGI est disponible en tailles 4 x 4 x 2 mm³ et 5 x 5 x 3 mm³, avec une expansion continue prévue (Figure 3).

Figure 3. Aperçu des tailles et produits disponibles de la série d’inducteurs WE-MXGI. Image utilisée avec la permission de Bodo’s Power Systems []

Pertes des inducteurs de stockage

Les pertes dans un inducteur de stockage se composent de pertes de matériau de noyau et de pertes de bobinage. Les mécanismes de pertes sont détaillés dans Application Note ANP031. Un résumé est fourni ci-dessous. Les pertes de bobinage peuvent être divisées en pertes DC, principalement influencées par la résistance DC R_DC du bobinage (Équation 1), et pertes de bobinage AC, résultant des effets de peau et de proximité.

P = I² · R_DC (Équation 1)

Il existe plusieurs méthodes pour déterminer les pertes AC du bobinage ; par exemple, les méthodes Dowell, Ferreira, ou Nan/Sullivan.

La signification des pertes dans les régulateurs à découpage modernes peut être déterminée par un simple dispositif de mesure des pertes correspondantes. Par exemple, un convertisseur buck avec une tension d’entrée de 24 V est utilisé. La sortie fournit une tension de 6 V avec un courant de 8 A. La fréquence de commutation est de 1 MHz. Dans la comparaison présentée dans la Figure 4, un inducteur de 2,2 µH de la série WE-MXGI 5030 a été mesuré et comparé à un inducteur de taille similaire. Il est évident que les pertes ACDC du WE-MXGI sont inférieures à celles des produits concurrents.

Figure 4. Composants des pertes AC et DC d’une bobine de 2,2 µH (WE-MXGI) dans un convertisseur à découpage avec une entrée de 24 V, une sortie de 6 V, un courant de sortie de 8 A et une fréquence de commutation de 1 MHz, comparé à une autre bobine. Image utilisée avec la permission de Bodo’s Power Systems []

Dans les régulateurs à découpage, la bobine est l’un des composants les plus importants. Par conséquent, déterminer avec précision les pertes et l’élévation de température est critique pour sélectionner le bon composant. Pour prédire l’élévation de température, il faut d’abord déterminer précisément les pertes AC.

Une approche est celle des modèles de Steinmetz, qui offrent une approximation acceptable, en particulier pour les excitations sinusoïdales et un rapport cyclique de 50 %.

Le calculateur de pertes AC de REDEXPERT comprend un modèle pour déterminer avec précision les pertes AC totales dans les inducteurs. Ce modèle est basé sur des données empiriques obtenues à partir d’un montage d’application en temps réel où les pertes totales de l’inducteur sont divisées en pertes AC et DC.

Les données empiriques sont collectées à l’aide d’un convertisseur DC/DC. Une tension pulsée est appliquée à l’inducteur, avec la puissance d’entrée P_in et la puissance de sortie P_out mesurées. À partir de cela, P_loss = P_in – P_out est déterminé, et les pertes système, les pertes DC, et les pertes AC de l’inducteur P_AC sont séparées. Ce processus est mesuré pour divers réglages de paramètres – tels que des variations de flux magnétique, de fréquence de commutation, de courant de ripple, etc. – avec toutes les données enregistrées. À l’aide des données empiriques, un modèle pour le calcul des pertes AC est créé en fonction des conditions de test (Équation 2).

P_AC = f(∆I, freq, DC, k1, k2) (Équation 2)

Avantages du modèle de perte AC

Le modèle de perte AC a été largement validé et comparé avec d’autres modèles existants et des données mesurées. Les pertes AC pour divers matériaux, tels que WE-Superflux, poudre de fer, NiZn, MnZn, etc., ont été mesurées sur une large plage de rapports cycliques et de fréquences, et comparées à des modèles théoriques (Figure 5).

• Les données empiriques sont basées sur un convertisseur DC/DC
• Détermination précise des pertes pour tout rapport cyclique donné
• Précis sur une large gamme de fréquences (10 kHz à 10 MHz)
• Prend en compte même les plus petits changements dans le matériau du noyau et la structure de bobinage
• Applicable aux composants avec plus d’un matériau
• Détermination précise des pertes dans les composants avec de la poudre de fer et des alliages métalliques
• Valide pour toute forme de noyau et structure de bobinage
• Inclut les pertes de bobinage AC

Les diagrammes montrent les pertes de noyau déterminées par l’équation de puissance de Steinmetz (P_st), l’Équation de Steinmetz Modifiée (P_mse), et l’Équation de Steinmetz Généralisée (P_gse). Dans REDEXPERT, la perte AC est marquée après le calcul avec le modèle de perte AC de Würth. “Réel” représente la perte AC mesurée.

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Figure 5. Pertes AC dans des matériaux de noyau en MnZn et en poudre de fer à un rapport cyclique de 33 %, telles que calculées par divers modèles de Steinmetz, simulées avec REDEXPERT, et mesurées en réalité. Image utilisée avec la permission de Bodo’s Power Systems []

Sélection de WE-MXGI avec REDEXPERT

Les inducteurs de stockage WE-MXGI, avec leur matériau de noyau innovant et leur conception réfléchie, sont optimisés pour une puissance et une efficacité maximales dans le plus petit espace possible, ce qui les rend idéaux pour les convertisseurs à découpage modernes. Pour les régulateurs à découpage écoénergétiques, l’inducteur de stockage WE-MXGI approprié est mieux sélectionné à l’aide de REDEXPERT (Figure 6). Il intègre le modèle de perte AC le plus précis au monde, atteignant une grande précision sur divers paramètres tels que la fréquence, le courant de ripple et le rapport cyclique. De plus, REDEXPERT suggère des produits appropriés une fois que les paramètres requis d’un application client ont été saisis.

Figure 6. Simulation d’un convertisseur DC/DC buck dans REDEXPERT utilisant des composants WE-MXGI. Image utilisée avec la permission de Bodo’s Power Systems []

Le calculateur de courant de Würth Elektronik aide à sélectionner le produit approprié, y compris un modèle thermique de chaque inducteur basé sur des données de mesure, pour déterminer le courant nominal en fonction des dimensions du PCB. Une explication du comportement thermique des self-ferrite peut être trouvée dans Application Note ANP096.

Cet article est apparu pour la première fois dans Bodo’s Power Systems [] magazine.