Introduction aux composant magnétiques planar

MATERIAUX ET NOYAUX MAGNETIQUES

Les techniques de fabrication des matériaux magnétiques ont beaucoup évolué ces dernières décennies. L’évolution des matériaux magnétiques a notamment permis d’améliorer leurs propriétés et leurs performances, et leurs domaines d’application se sont largement diversifiés. 

Généralités sur les matériaux magnétiques

Un matériau est dit magnétique s’il contribue à la création du champ magnétique d’induction B. L’induction magnétique B est liée au champ magnétique H et à la polarisation magnétique  par (Eq. 1.1) . BH  H  H 0 (Eq. 1.1) Avec : 7 0 4 10     (H/m) la perméabilité de l’air ou du vide. H  peut s’écrire suivant (Eq. 1.2), en fonction de la densité de moment magnétique M(H) (en A/m), ou encore en fonction de la susceptibilité magnétique  . H  0M(H)  0 H (Eq. 1.2) En combinant les 2 équations précédentes, on peut dès lors réécrire l’expression de l’induction B (Eq. 1.3).   (1 ) B H  0H   (Eq. 1.3) En posant l’équation (Eq. 1.4), on définit la perméabilité relative r du matériau magnétique. Il est également fréquent d’utiliser la perméabilité équivalente  (Eq. 1.5) du matériau pour définir l’induction magnétique B créée (Eq. 1.6). r  1  (Eq. 1.4)   0r (Eq. 1.5) B  H (Eq. 1.6) On peut classer les matériaux magnétiques en deux grandes familles : Les matériaux « durs » et les matériaux « doux » [19]. Les matériaux magnétiques dits « durs » possèdent, sur leur caractéristique BH, un cycle d’hystérésis large tandis que les matériaux magnétiques dits « doux » ont un cycle d’hystérésis plutôt étroit (Figure 1.3). L’aire formée par le cycle d’hystérésis (Eq. 1.7) équivaut aux pertes magnétiques volumiques. Avec un cycle étroit, les magnétiques doux ont donc peu de pertes magnétiques. Chapitre 1 : Introduction aux composants magnétiques planar 11 Figure 1.3 : Cycle d’hystérésis de matériaux magnétiques durs et doux ( . . ) 2 1 A H. B B. H H B B H C C C C cycle              (Eq. 1.7) Les matériaux durs sont essentiellement réalisés à partir d’alliages de métaux (Aluminium Nikel Cobalt, Néodyme Fer Bore,…) et sont généralement utilisés comme aimants permanents (machines synchrone à aimants permanents, moteurs à courant continu…). Leur usage est limité à la basse fréquence (BF). Les matériaux doux présentent, quant à eux, des propriétés magnétiques en présence d’un champ extérieur. Ils peuvent être classés en deux catégories : les aciers (Fer Silicium,…) et les ferrites. L’usage de ces matériaux doux peut aller de la basse fréquence pour les aciers, à la très haute fréquence pour les ferrites (jusque 100MHz). Les matériaux magnétiques se caractérisent par leur cycle d’hystérésis, leur induction de saturation, leur champ coercitif et aussi leurs fréquences d’utilisation. Toutes ces caractéristiques vont définir leurs domaines d’application. Le Tableau 1.1 présente quelques domaines d’application de matériaux magnétiques doux en fonction de leurs propriétés. Dans ce Tableau 1.1, on peut retrouver des aciers à grains orientés (matériau anisotrope) qu’on retrouve essentiellement dans des transformateurs de puissance et des aciers à grains non orientés (matériau isotrope) utilisés dans les machines tournantes. Malgré une induction crête importante (jusque 1.7T), l’inconvénient des aciers par rapport aux ferrites est qu’ils sont limités à une utilisation en BF. De plus, pour limiter les pertes par courant de Foucault dans l’acier, il est nécessaire de le feuilleter avec des épaisseurs de tôles inférieures à l’épaisseur de peau  (Eq. 1.8) dépendant de la fréquence de fonctionnement.       Fsw Fsw   1 (Eq. 1.8) Avec Fsw la fréquence de fonctionnement,  la perméabilité équivalente et ρ la résistivité électrique du matériau (inverse de  , la conductivité électrique du matériau). Chapitre 1 : Introduction aux composants magnétiques planar 12 Les ferrites sont des matériaux à faible induction rémanente ou à saturation. Ils possèdent aussi une faible énergie volumique. Il existe des ferrites en aimants permanents pour les matériaux durs qui se trouvent essentiellement à l’état polycristallin sous forme de céramique massive [20] et des ferrites en oxydes magnétiques pour les matériaux doux. Par la suite, on ne s’intéressera qu’aux ferrites en matériau doux. Parmi les matériaux doux, les ferrites font partie de ceux qui ont les plus faibles perméabilités relatives et qui ont les plus faibles inductions à saturation (Tableau 1.1). Comme la plupart des matériaux amorphes et nanocristallins, les ferrites sont adaptés pour fonctionner à des fréquences élevées (quelques centaines de kilohertz).

Matériaux magnétiques pour l’électronique de puissance

Nous allons maintenant nous intéresser plus spécifiquement aux matériaux utilisés en EP. Le fonctionnement en HF des inductances et des transformateurs, associé aux niveaux de courant et de tension importants des convertisseurs d’EP, requiert l’utilisation spécifique des matériaux de type ferrite, amorphe et nanocristallin. 

Ferrites

Comme nous l’avons vu dans le Tableau 1.1, les ferrites ont une faible induction de saturation Bs < 0.5T. Leur résistivité électrique élevée (1< ρ <105 Ω.m) leur permet d’être moins sujettes aux courants de Foucault. Leurs pertes magnétiques en sont donc limitées. Chapitre 1 : Introduction aux composants magnétiques planar 13 Les propriétés des ferrites sont relativement stables thermiquement et chimiquement. Les ferrites existent sous deux structures principales : les ferrites de type spinelle et les ferrites de type grenat. Les structures en grenat sont souvent dédiées à des applications hyperfréquences. En EP, les ferrites utilisés sont plutôt de type spinelle qui sont sous forme d’oxydes magnétiques dont la formule chimique s’écrit MeFe 2O4 (Me pour métal : Mn, Zn, Fe, Cu, Ni…) [20]. Ces ferrites ont un magnétisme particulier appelé ferrimagnétisme et perdent cette propriété pour devenir paramagnétiques lorsque leur température de fonctionnement dépasse leur température de Curie (Tc < 250°C). Il existe plusieurs alliages de ferrite mais deux d’entre eux sont plus répandus : Les alliages Manganèse-Zinc (Mn-Zn) pour des applications d’électronique de puissance jusque 1MHz et les alliages Nickel-Zinc (Ni-Zn) pour des applications plus orientées vers les Radio-Télécommunications (jusque 100MHz ). Les ferrites Mn-Zn disposent d’une large gamme de perméabilités relativement stables avec la température. Leur fonctionnement est optimisé pour des températures autour de 100°C. A titre d’exemple, la Figure 1.4a présente l’évolution des pertes fer volumiques pour quelques matériaux de chez Ferroxcube [21] en fonction de la température. L’évolution de la perméabilité initiale du matériau 3C95 en fonction de la température est aussi présentée sur la Figure 1.4b. (a) pertes volumiques (b) perméabilité initiale Figure 1.4 : Exemple de propriétés de matériaux ferrites Mn-Zn en fonction de la température [21] Les ferrites Ni-Zn sont, quant à eux, presque isolantes ce qui leur permet d’avoir une bande fréquentielle plus large (Figure 1.5). Figure 1.5 : Perméabilité initiale des Ferrites Mn-Zn et Ni-Zn Les propriétés magnétique et diélectrique des matériaux ferrites peuvent être décrits à l’aide de leur perméabilité complexe (Eq. 1.9) et de leur permittivité complexe (Eq. 1.10). La Figure 1.6 présente l’évolution de ces grandeurs en fonction de la fréquence. Pour la perméabilité, le 1er terme,  est une image de la partie inductive du matériau magnétique. Le second terme,  , représente les pertes fer dans Chapitre 1 : Introduction aux composants magnétiques planar 14 le matériau. Il en est de même pour la permittivité, où les deux termes  ‘ et  ‘ ‘ sont respectivement liés à la capacité et aux pertes dans le diélectrique. A partir de ces différentes grandeurs, les coefficients caractéristiques liés aux pertes magnétiques et diélectriques sont définis par des tangentes de pertes notées respectivement m tan (Eq. 1.11) et e tan (Eq. 1.12).