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Au cours de ces dernières années, les performances des convertisseurs CC-CC à découpage (aussi appelés régulateurs) se sont considérablement améliorées. Ils affichent désormais souvent une efficacité supérieure à 90 %. Le courant de repos, le bruit de sortie du rail et les interférences électromagnétiques (EMI) rayonnées sont plus faibles, tandis que la réponse transitoire s’est accélérée. Ces améliorations sont en grande partie dues aux progrès réalisés au niveau des circuits intégrés des contrôleurs CC-CC et qui ont permis de lever de nombreuses limitations propres aux conceptions antérieures. Parallèlement, des améliorations sensibles des pilotes ont permis la mise sur le marché de dispositifs d’alimentation avec des pertes statiques et dynamiques plus faibles.

Cependant, ces nouveaux circuits intégrés, aussi innovants soient-ils, ne font pas tout. Un autre composant, moins évident mais indispensable dans toute conception de convertisseur à découpage, a également joué un rôle dans l’amélioration des performances : l’inductance discrète. De prime abord, ce composant passif à deux bornes et défini par sa valeur d’inductance semble simple. Seulement, le choix de la bonne inductance dépend de nombreux facteurs.

Les inductances sont essentielles pour garantir la stabilité thermique des convertisseurs, mais aussi leur efficacité globale et leurs performances en matière d’EMI, ces deux derniers facteurs faisant de plus l’objet de réglementations et d’obligations légales. Comme souvent, « le meilleur choix » n’existe pas dans l’absolu. Le processus de sélection a pour objet de dégager l'inductance la plus adaptée à la situation en trouvant le bon compromis entre différents critères tels que la fréquence de fonctionnement, les pertes de noyau, le comportement en cas de saturation et les contraintes de taille, pour n’en citer que quelques-unes.

L'inductance ainsi sélectionnée doit fournir les performances requises, mais elle doit en outre réduire à un minimum les problèmes liés à la conception, à savoir, entre autres, les problèmes d’EMI, l’instabilité thermique et les risques liés à la production. Trouver le bon compromis est un défi, mais cette tâche est facilitée grâce aux inductances WE-MAPI de Würth Elektronik. Celles-ci offrent en effet des performances stables, une disponibilité à long terme et une assistance à la conception à l’aide d’outils de modélisation.

Le présent article explique comment améliorer les performances et la fiabilité des convertisseurs CC-CC à l’aide d’outils intelligents de sélection et de modélisation des inductances.

Parmi les premiers critères de sélection d’une inductance figurent la valeur d’inductance nominale et la fréquence de fonctionnement, car une inductance adaptée à une fréquence de commutation de 500 kHz peut ne pas convenir à une conception de 2 MHz. D’autres critères importants sont entre autres la capacité de gestion de courant, les objectifs d’efficacité, la dérive thermique, la température de fonctionnement, les propriétés relatives aux EMI, les possibilités de blindage et la taille physique.

Trouver le bon compromis entre les caractéristiques indispensables et celles qui ne sont qu’appréciables peut s’avérer frustrant en raison du nombre de variables et de leurs interactions souvent non linéaires. En pareil cas, l’outil REDEXPERT de Würth Elektronik permet aux concepteurs de gagner du temps en leur présentant des options viables. REDEXPERT facilite notamment la modélisation des pertes CA et CC et permet de choisir l'inductance la plus appropriée dans la gamme WE-MAPI (voir figure 1).^{[i][endnoteRef:2]}

Figure 1 : comme le démontre cette simulation de convertisseur buck avec des inductances WE-MAPI, REDEXPRERT permet de réaliser des modèles en tenant compte de plusieurs paramètres et variables (Source : Würth Elektronik.)

Cet outil puissant est bien plus qu’une simple version pour PC du modèle standard de perte d’inductance basé sur les équations de Steinmetz et ses variantes étendues, car celles-ci ne conviennent pas pour la conception de convertisseurs à découpage. Le modèle standard a en effet pour principal défaut de ne pas tenir correctement compte des facteurs d’effets comme les changements de densité de flux liés au temps, les pertes CA des enroulements et les pertes dans les enroulements des composants dues aux effets de peau et de proximité.

Ce n’est pas le cas de l’outil REDEXPERT, qui utilise une gamme de modèles de données empiriques. Chacun de ces modèles est calibré en fonction des caractéristiques de performance spécifiques des inductances Würth Elektronik. L’outil permet ainsi aux utilisateurs de sélectionner l'inductance la plus appropriée et d’optimiser le système. Pour ce faire, REDEXPERT divise la perte totale de la self en deux pertes distinctes : la perte CC, qui est la dissipation de puissance causée par le courant continu dans l’enroulement de la bobine d’induction, et la perte CA, causée quant à elle par les variations de flux de courant alternatif dans la bobine. L’outil fournit également des estimations de température en se basant pour cela sur des calculs des pertes complètes de courant alternatif.

REDEXPERT prend en charge les trois topologies de convertisseurs CC-CC les plus courantes : buck, boost et SEPIC. Le modèle est précis sur une large plage de fréquences (10 kHz à 10 MHz) avec la constante de l’équation de puissance dérivée sur une large plage par rapport à l’oscillation du flux. Il peut même tenir compte des petits changements dans le matériau du noyau et dans la structure de l’enroulement ainsi que des composants contenant plusieurs matériaux. De plus, REDEXPERT estime avec précision les pertes de poudre de fer et de matériaux en alliage métallique. Il prend en charge toute forme de noyau et de structure d’enroulement et comprend en outre les pertes d’enroulement CA.

Alors que la sélection d’une inductance relève souvent du casse-tête, la gamme WE-MAPI facilite la tâche des concepteurs en affichant des performances exceptionnelles et un niveau de risque faible. Par souci de sécurité, les ingénieurs évitent généralement d’opter pour de nouveaux composants encore peu utilisés sur le terrain en faveur de solutions éprouvées et plus courantes. Par exemple, pour ce qui est des composants actifs, de nombreux concepteurs préfèrent encore utiliser des amplificateurs opérationnels vieux de dix ans ou plus, alors que de « meilleures » options sont disponibles sur le marché. La raison en est simple : ils connaissent par cœur ces composants plus anciens, leurs caractéristiques ainsi que leurs subtilités, et tous les éventuels problèmes de fabrication ont été résolus entretemps.

Lorsqu’il s’agit de concevoir un convertisseur de commutation, les concepteurs peuvent sélectionner un circuit intégré de contrôleur plus récent qui offre des fonctionnalités avancées et de meilleures performances tout en s’appuyant sur des composants passifs éprouvés. La réalité est que chaque composant a ses particularités. Celles-ci sont bien connues lorsqu’il s’agit de composants utilisés depuis de nombreuses années. En revanche, les composants apparus plus récemment peuvent entraîner des problèmes inattendus qui ne sont pas documentés dans les fiches techniques et les notes d’application.

Un autre avantage des composants qui ont déjà fait leurs preuves est que les équipes disposent d’une certaine visibilité sur leur approvisionnement et leur fabrication, ce qui leur permet d’éviter les mauvaises surprises que la chaîne d’approvisionnement réserve parfois et ainsi de respecter au mieux les délais.

Grâce à leur conception et aux multiples innovations dont elles jouissent, les inductances WE-MAPI de Würth Elektronik sont parfaitement adaptées aux alimentations pour serveurs et autres applications de télécommunications. Elles s’avèrent en effet très efficaces sous des charges élevées. Grâce à leurs performances de régulation à basse tension et courant élevé, elles conviennent aussi parfaitement au niveau de courant requis pour les FPGA et les processeurs pour IA.

Ces inductances sont bien plus que de simples enroulements de fil autour d’un noyau approprié. Les matériaux composites à base d’alliages de fer sont une nette amélioration par rapport aux matériaux en ferrite. Ils réduisent par exemple les pertes de matériau dans le noyau des selfs à courant élevé.

Le noyau WE-MAPI est constitué d’un alliage métallique innovant pressé autour de l’enroulement, ce qui permet aux inductances de cette série d’offrir des valeurs d’inductance élevées dans un petit boîtier blindé. Ces composants sont disponibles en plusieurs tailles de boîtier (de 1,6 × 1,6 × 1,0 mm à 5,4 × 5,4 × 3,1 mm), avec des bobines d’inductance variant de 33 nH à 47 μH et un courant de saturation d’environ 40 A, selon le modèle spécifique.

La construction spéciale du noyau procure l’effet d’autoblindage magnétique souhaité. Le matériau de base est stable en température avec seulement une légère dérive et un comportement de saturation « doux ». Le noyau est en outre recouvert d’une couche de revêtement protecteur rendant sa surface résistante aux agressions extérieures.

D’autres critères de sélection importants sont la construction physique et la fixation de l’enroulement. Les bobines conventionnelles utilisent généralement du fil de cuivre émaillé enroulé autour du noyau et soudé à la borne par un clip. La bague de blindage extérieure est ensuite montée et collée au noyau intérieur et à l’enroulement.

Il en va autrement pour les inductances de la gamme WE-MAPI, où l’enroulement est en contact direct avec le support de connexion du composant, sans soudure (voir figure 2). L’absence de clip augmente le diamètre effectif, ce qui permet de réduire le nombre de spires pour une même valeur d’inductance. La résistance en courant continu de l’enroulement et les pertes CC s’en voient considérablement réduites.

Figure 2 : cette vue d’une bobine WE-MAPI sans son boîtier montre le fil en contact direct avec les supports de connexion (Source : Würth Elektronik.)

De nombreux convertisseurs de commutation actuels fonctionnent à des fréquences plus élevées, ce qui permet, entre autres avantages, de réduire la taille globale du convertisseur. La fréquence de commutation se situait auparavant entre les 300 et les 500 kHz, mais des commutateurs à 1 MHz (voire plusieurs mégahertz) sont désormais chose courante. Les inductances WE-MAPI sont optimisées pour une utilisation dans des conceptions fonctionnant à 800 kHz et plus et conviennent donc particulièrement bien aux convertisseurs à fréquence élevée.

De plus, elles sont capables de gérer le courant d’ondulation élevé associé aux convertisseurs CC-CC à haut rendement. La plupart des modèles affichent une plage de températures de fonctionnement standard de -40 à +125 °C. Certains modèles sont conçus pour une plage de températures plus large (de -55 à +150 °C) afin de garantir une fiabilité accrue dans les environnements difficiles.

Dans un éventail d’options étendu, les inductances WE-MAPI de Würth Elektronik se distinguent par leur fiabilité éprouvée sur le terrain, leurs performances efficaces et leur construction adaptée aux exigences de conception des alimentations à haute fréquence. Leurs performances ont été validées dans des applications réelles, ce qui en fait un choix fiable pour les ingénieurs qui cherchent à réduire les risques liés à la conception tout en respectant les exigences strictes en matière d’efficacité, de température et d’EMI.