Brevet FR2740259A1 — publié le 19970425

NOYAU MAGNETIQUE MIXTE La présente invention concerne un noyau magnétique mixte notamment pour inductances ou transformateurs. Les inductances ainsi réalisées pourront servir d'inductances de filtrage ou être utilisées dans des convertisseurs de puissance travaillant à des fréquences voisines ou supérieures à environ 0,1 MHz. Les développements des systèmes électroniques cherchent à miniaturiser les sources d'alimentation. Le passage des régulateurs à structure linéaire aux convertisseurs à découpage a constitué un pas décisif pour la diminution de l'encombrement et l'amélioration des performances des sources d'alimentation. La fréquence de découpage n'a cessé d'augmenter dans le but de poursuivre la miniaturisation. Les convertisseurs actuels atteignent et même dépassent un mégahertz. Les architectures nécessitent des inductances de faibles valeurs (quelques micro-Henry) devant présenter des pertes totales (pertes du conducteur et du circuit magnétique) faibles sous forte induction et utilisant des matériaux de faible perméabilité (inférieure à environ 200). Les matériaux magnétiques à perméabilité réduite actuellement disponibles sur le marché présentent sous forte induction (supérieure à environ 10 mT) des pertes très élevées qui font qu'aujourd'hui les composants magnétiques sont les composants les plus encombrants des convertisseurs. Pour les matériaux magnétiques existants la faible perméabilité et les faibles pertes sont des caractéristiques contradictoires. Une inductance de quelques micro-Henry comportera quelques spires ou un noyau à faible perméabilité. Un faible nombre de spires ayant à une différence de potentiel élevée à ses bornes génère une induction magnétique élevée dans le noyau. Comme les pertes dans le noyau sont au moins proportionnelles au carré de l'induction, elles croissent très vite lorsque le nombre de spires décroît. Pour obtenir des pertes réduites, il faut un grand nombre de spires ce qui impose un noyau à faible perméabilité. Il existe des inductances à air, à noyau amagnétique. Leur perméabilité est égale à un et les pertes dans le noyau son nulles. Leur encombrement est important à cause de la perméabilité égale à un du noyau amagnétique. Les pertes "cuivre" dissipées par le bobinage sont importantes. Les perturbations électromagnétiques générées sont gênantes pour le voisinage et difficiles à éliminer. Il existe des inductances à noyau magnétique en céramique polycristalline, telle que les ferrites de type spinelle, à entrefer localisé à air. Le ferrite malgré ses pertes de l'ordre du centième ou du dixième de W/cm3, selon l'induction et la fréquence, présente des perméabilités proches de 1000, ce qui est beaucoup trop élevé pour l'application des convertisseurs. Les ferrites à faible perméabilité comme le ferrite de nickel qui présente une perméabilité égale à 10, ont des pertes trop élevées pour l'application des convertisseurs. Il existe aussi des inductances à noyau magnétique composite à entrefer réparti. Ces matériaux sont constitués d'alliages ferromagnétiques en poudre dispersés dans un liant diélectrique. Les pertes par rayonnement sont diminuées par rapport aux noyaux à entrefer localisé. Il y a essentiellement deux catégories de poudres: les poudres de fer et de fer- cabonyle dont la perméabilité va de 5 à 250 environ et les poudres à base d'alliages de fer-nickel dont la perméabilité va de 14 à 550 environ. Les pertes dans ces matériaux sont 15 à 20 fois plus fortes que celles des ferrites de puissance massifs dans les mêmes conditions de fréquence, d'induction et de température. Par exemple, les meilleurs matériaux magnétiques composites du marché ont les caractéristiques suivantes pour des échantillons toriques de diamètre moyen égal à 10 mm, à température ambiante, pour une induction de 30OmTàl1MHz: fer-carbonyl: pertes supérieures à 1,5 W/cm3 fer-nickel: pertes supérieures à 2 W/cm3 La présente invention propose un noyau magnétique possédant à induction élevée des pertes de l'ordre de celles des céramiques magnétiques polycristallines et une perméabilité réduite d'un facteur 100 environ par rapport à celle de ces matériaux de perméabilité généralement comprise entre 700 et 3000. La présente invention concerne un noyau magnétique comportant un corps en céramique magnétique polycristalline avec au moins un entrefer localisé. L'entrefer localisé est réalisé dans un matériau magnétique composite. De préférence, la céramique magnétique polycristalline du corps est un ferrite de type spinelle répondant à la formule Mx Zny Fe2+ a 04 o M est un ion manganèse ou nickel et x + y +cc = 1. Le matériau magnétique composite peut être réalisé à base d'alliages ferromagnétiques tels que des poudres de fer-carbonyl ou de fer-nickel noyés dans un liant diélectrique ou à base de plaquettes en céramique magnétique polycristalline noyées dans un liant diélectrique et orientées avec leurs faces principales sensiblement parallèles au champ magnétique. La céramique magnétique polycristalline des plaquettes est de préférence un ferrite de type spinelle répondant à la formule: M'x, Zny, Fe2+a' 04 o M' est un ion manganèse ou nickel et x' + y' +c' = 1. Le liant diélectrique peut être une résine de type époxyde, phénolique, polyimide ou à base acrylique. L'entrefer localisé peut être rendu solidaire du corps par collage ou bien inséré directement par moulage. Un tel noyau peut travailler à des inductions plus élevées que les matériaux disponibles pour un même niveau de pertes et une même perméabilité. Un tel noyau a un volume inférieur à ceux disponibles pour un même niveau de pertes et une même perméabilité. La présente invention concerne également une inductance et un transformateur qui comportent un tel noyau. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description de certains exemples de réalisation, illustrés par les figures suivantes qui représentent: - la figure I1: un noyau torique selon l'invention; - la figure 2: la variation de la perméabilité apparente d'un noyau torique mixte ferrite/fer-carbonyl selon l'invention en fonction d'sE; E étant le rapport de la largeur de l'entrefer sur la longueur magnétique équivalente du noyau; - la figure 3: les pertes totales en fonction de l'induction et de la température d'un noyau torique mixte ferrite/fer-carbonyl selon l'invention; - la figure 4: une inductance selon l'invention; - la figure 5: un transformateur selon l'invention. La figure 1 montre de manière schématique un noyau torique conforme à l'invention. Ce noyau comporte un corps 1 en céramique magnétique polycristalline avec au moins un entrefer 2 localisé. L'entrefer 2 est réalisé dans un matériau magnétique composite. Le fait d'insérer un entrefer localisé 2 dans le circuit magnétique formé par le corps en céramique magnétique polycristalline permet d'abaisser la perméabilité du corps sans pratiquement augmenter ses pertes. La céramique magnétique polycristalline est un ferrite de type spinelle répondant à la formule Mx Zny Fe2+a 04 o M est un ion manganèse ou nickel et x + y + a = 1. Le corps 1 peut être un ferrite de puissance de type PC50 de chez TDK, de type F4 de chez LCC, de type 3F4 de chez Philips. Sa perméabilité vaut environ 1000 à 1 MH z. L'entrefer 2 peut être un composite à base d'alliages ferromagnétiques en poudre, tels que des poudres de fer-carbonyl ou de fer- nickel, dispersés dans un liant diélectrique. Dans le cas de poudre de fer- carbonyl, les grains seront de préférence passives chimiquement pour éviter leur oxydation. Le liant peut être une résine époxyde, phénolique, polyimide ou à base acrylique. L'entrefer peut être un composite de type A08 de chez Saphyr, de type T26 de chez Micrométal, de la série 55 000 ou 58 000 de chez Magnetics. Sa perméabilité est de l'ordre de 10 à 1 MHz. Sur la figure 1, la largeur e de l'entrefer 2 vaut environ un quart du périmètre du noyau. Dans les noyaux existants, à entrefer à air, la largeur de l'entrefer était très petite devant celle du corps pour éviter les fuites par rayonnement qui sont perturbatrices pour les composants placés à proximité du noyau. Dans un noyau selon l'invention, I'entrefer 2 en matériau composite canalise le flux et les fuites par rayonnement sont pratiquement éliminées. La perméabilité apparente pa d'un noyau tel que celui représenté à la figure 1 est donnée en première approximation par: Ua=,U1.u2 2 +.,U1 o E= e e Lm e: largeur de l'entrefer Lm: longueur magnétique équivalente du noyau pl: perméabilité du corps en ferrite p 1t 1 000 pour un ferrite MnZn p2: perméabilité de l'entrefer en matériau magnétique composite p2 = 10 pour un composite fer-carbonyl. La perméabilité pa vaut donc environ 34 ce qui est tout à fait acceptable pour une application dans les convertisseurs à haut niveau d'intégration. La figure 2 donne la variation de la perméabilité apparente d'un noyau torique ferrite/fer-carbonyl selon l'invention en fonction de E. La perméabilité d'un tel noyau a été considérablement réduite dès l'introduction d'un entrefer dont la largeur représente 20 % de la longueur magnétique équivalente du noyau. Des mesures des pertes totales d'un noyau torique en ferrite/fer carbonyl tel que celui de la figure 1 sont données en figure 3 en fonction de l'induction et de la température. On observe des pertes très faibles dans une large plage de température. Elles sont compatibles avec la majorité des applications des convertisseurs. Les pertes totales d'un noyau torique ferrite fer/carbonyl selon l'invention à 80 C et à 30 mT s'élèvent à 0,22 W/cm3. Les pertes totales mesurées dans les mêmes conditions pour le matériau composite fer-carbonyl massif s'élèvent à 2,5 W/cm3. Le gain est de plus de 10. Le fait d'introduire un entrefer localisé 2 en matériau magnétique composite possédant des pertes élevées n'a pratiquement pas dégradé les pertes du noyau par rapport à celles du corps en ferrite de type spinelle. L'entrefer 2 peut aussi être réalisé dans un matériau magnétique composite tel que celui décrit dans la demande de brevet franç,ais déposée le 19 septembre 1995 sous le n 95 10952 par la demanderesse. Ce matériau magnétique composite comporte des plaquettes en céramique magnétique polycristalline noyées dans un liant diélectrique. Les plaquettes sont orientées de manière à ce que leurs faces principales soient sensiblement parallèles au champ magnétique auquel le noyau est destiné à être soumis. La céramique magnétique polycristalline est un ferrite de type spinelle répondant à la formule: M'x, Zny, Fe2+a, 04 avec x'+y'+a' = 1, o M' est un ion manganèse ou nickel. Le liant est de la résine par exemple de type époxyde, phénolique, polyimide ou à base acrylique. Les plaquettes sont empilées en strates et noyées dans le liant. Il peut y avoir une ou plusieurs plaquettes par strates. D'une strate à l'autre les plaquettes peuvent être disposées en colonnes ou en quinconce. L'entrefer 2 peut être rendu solidaire du corps 1 par collage par exemple. Il peut également être moulé directement à sa place. La présente invention concerne aussi une inductance réalisée à partir d'un tel noyau. La figure 4 montre un exemple d'inductance réalisée à partir d'un noyau torique avec un corps 30 en ferrite et quatre entrefers localisés 31 disposés régulièrement dans le corps 30. Ces entrefers 31 sont réalisés avec des plaquettes 33 noyées dans un liant diélectrique 34 comme décrit précédemment. Cette inductance comporte aussi un bobinage 32 situé de préférence sur le corps 30 de manière à minimiser l'interaction du bobinage 32 avec les entrefers 31 en matériau magnétique composite possédant une perméabilité plus faible que celle du corps 30. Les conducteurs utilisés pour le bobinage 32 seront de préférence des fils multibrins émaillés ou de Litz de manière à diminuer les pertes cuivre à des fréquences supérieures à environ 50 kHz. Ces inductances peuvent servir d'inductance de filtrage ou d'inductance de convertisseurs résonnants. Pour réaliser une inductance selon l'invention on commence par choisir le matériau du corps du noyau en fonction de la fréquence à laquelle doit fonctionner l'inductance et de la perméabilité apparente qu'elle doit avoir. Puis à partir de la perméabilité que possède ce matériau, on calcule les dimensions de ou des entrefers et leur charge en matériau magnétique pour obtenir la perméabilité apparente désirée. La figure 5 montre un transformateur selon l'invention. Il comporte un noyau 50 en E à jambes rectangulaires dont une centrale 52 et deux extrêmes 51. Ce noyau 50 comporte un corps 53 en ferrite et au niveau de chaque jambe 51, 52 un entrefer localisé 54 en matériau magnétique composite. Deux bobinages 55, 56 autour des jambes extrêmes 51 contribuent à former le primaire et le secondaire du transformateur. Ces bobinages n'entourent pas les entrefers 54. Dans les exemples décrits les entrefers avaient tous la même forme. Il est bien entendu qu'ils peuvent avoir des formes différentes, des compositions différentes et des charges en matériau magnétique différentes. REVENDICATIONS 1. Noyau magnétique comportant un corps (1) en céramique magnétique polycristalline et au moins un entrefer (2) localisé, caractérisé en ce que l'entrefer (2) localisé est réalisé dans un matériau magnétique composite. 2. Noyau selon la revendication 1, caractérisé en ce que la céramique magnétique polycristalline du corps (1) est un ferrite de type spinelle répondant à formule: MxZnyFe2+a 04 o M est un ion manganèse ou nickel et x + y + a = 1. 3. Noyau selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le matériau magnétique composite est réalisé à base d'alliages ferromagnétiques tels que des poudres de fer-carbonyl ou de fer-nickel, noyés dans un liant diélectrique. 4. Noyau selon la revendication 3 avec au moins un entrefer localisé réalisé à partir de poudre de fer-carbonyl, caractérisé en ce que les grains de la poudre sont passivés chimiquement avant de les noyer dans le liant diélectrique. 5. Noyau selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le matériau magnétique composite est réalisé à partir de plaquettes (33) de céramique magnétique polycristalline noyées dans un liant diélectrique (34), les plaquettes (33) étant orientées de manière à ce que leurs faces principales soient sensiblement parallèles au champ magnétique auquel le noyau est destiné à être soumis. 6. Noyau selon la revendication 5, caractérisé en ce que la céramique magnétique polycristalline des plaquettes est un ferrite de type spinelle répondant à la formule: M'x' Zny, Fe2+a' 04 o M' est un ion manganèse ou nickel et x' + y' + a' = 1 7. Noyau selon l'une des revendications 3 à 6, caractérisé en ce que le liant diélectrique est une résine de type époxyde, phénolique, polyimide ou à base acrylique. 8. Noyau selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'entrefer (2) localisé est rendu solidaire du corps (1) par collage. 9. Noyau selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'entrefer (2) localisé est rendu solidaire du corps (1) par moulage. 10. Inductance caractérisée en ce qu'elle comporte un noyau selon l'une des revendications 1 à 9. 11. Inductance selon la revendication 10, caractérisée en ce qu'elle comporte au moins un bobinage (32) situé au niveau du corps (30) du noyau. 12. Inductance selon l'une des revendications 10 à 11, caractérisée en ce que le bobinage (32) est réalisé avec des conducteurs multibrins. 13. Transformateur caractérisé en ce qu'il comporte un noyau selon l'une des revendications 1 à 9. 14. Transformateur selon la revendication 13, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un bobinage (55, 56) situé au niveau du corps (50) du noyau. 15. Transformateur selon l'une des revendications 13 ou 14, caractérisé en ce que le bobinage (51) est réalisé avec des conducteurs multibrins.