Les inducteurs CMS et CMS à montage traversant sont souvent spécifiés. Ces tensions de mesure sont superposées à un courant continu pour caractériser le comportement de saturation de l’inductance. En revanche, la méthode d’impulsion du testeur de bobine de puissance de la série DPG10 utilise une courbe de tension et une amplitude spécifiques à l’application. Cet article présente et compare les deux méthodes de mesure.
Cet article est publié par pÉlectrique dans le cadre d’un partenariat exclusif de contenu numérique avec Bodo’s Power Systems.
La méthode de mesure par impulsion du testeur de bobine de puissance de la série DPG10 présente des avantages par rapport aux autres méthodes de mesure de l’inductance. Elle peut être utilisée pour les inducteurs CMS de petite taille jusqu’aux inducteurs pesant plusieurs tonnes. À l’aide de nouveaux adaptateurs de test, il est désormais possible de tester plus facilement et plus réaliste les inducteurs CMS de 50 nH avec des courants allant jusqu’à plusieurs centaines d’ampères, par rapport aux multimètres LCR.
Les inducteurs CMS et CMS à montage traversant sont souvent encore spécifiés dans les fiches techniques avec des mesures de petits signaux de tensions sinusoïdales et de courants dans la plage des mV et des µA (multimètre LCR). Ces tensions de mesure sont superposées à un courant continu pour caractériser le comportement de saturation de l’inductance. En revanche, la méthode d’impulsion du testeur de bobine de puissance de la série DPG10 présente des avantages significatifs, car elle utilise une forme de courbe de tension spécifique à l’application (onde carrée) et une amplitude (plusieurs V à plusieurs centaines de V).
Cet article présente et compare les deux méthodes de mesure. Les problèmes liés à la mesure de petites valeurs d’inductance (< 1 µH) sont expliqués, et les nouveaux adaptateurs de test pour les inducteurs CMS de 50 nH sont présentés.
Figure 1. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems [PDF]
Principe de mesure par impulsion du testeur de bobine de puissance de la série DPG10/20
Le principe de mesure par impulsion de la série DPG10 fonctionne avec une seule impulsion de tension carrée. L’amplitude peut être réglée dans une large plage de < 10 V à 400 V. Elle doit être sélectionnée pour correspondre approximativement à la tension aux bornes de l'inducteur dans l'application réelle.
Figure 2. Impulsion de test du testeur de bobine de puissance DPG10 CH3 : 5V/div CH4 : 20A/div Base de temps : 2µs/div. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems [PDF]
Cela entraîne une courbe de courant rampante dans l’échantillon de test. L’inductance de différentiel Ldiff(i) et plusieurs autres variables dépendantes du courant peuvent ensuite être calculées à partir du taux de variation di/dt, en tenant compte de la résistance ohmique R.
Lorsque le courant maximal prédéfini ou la durée d’impulsion prédéfinie est atteint, l’impulsion de mesure est à nouveau désactivée.
À partir de la courbe du courant i(t) et de la tension v(t) sur l’échantillon de test, les variables suivantes peuvent être calculées avec une seule impulsion de test :
- Inductance de différentiel Ldiff(i) et Ldiff(∫Udt)
- Inductance d’amplitude Lamp(i) et Lamp(∫Udt)
- Flux lié ψ(i)
- Co-énergie magnétique Wco(i)
- Densité de flux B(i), si la section transversale du noyau et le nombre de tours sont connus
Le comportement de tous les matériaux de noyau dépend plus ou moins de la fréquence et de l’amplitude. Étant donné que l’impulsion de test a la même forme de courbe rectangulaire que dans la plupart des applications de l’électronique de puissance et la même amplitude et la même fréquence ou largeur d’impulsion que dans l’application réelle, les résultats de mesure les plus réalistes sont obtenus. La mesure de petit signal des multimètres LCR, en revanche, est basée sur des signaux de mesure qui ne correspondent souvent pas aux conditions réelles. Dans ces cas, les résultats ne sont pas très significatifs.
Figure 3. Diagramme de l’inductance différentielle Ldiff(i). Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems [PDF]
La source de tension par impulsion prélève l’énergie d’impulsion à partir d’une batterie de condensateurs chargée à la tension de mesure souhaitée. Son contenu énergétique est généralement beaucoup plus élevé que l’énergie retirée pendant l’impulsion. La tension de l’impulsion de test est alors à peu près constante, bien que cela ne soit pas une condition nécessaire. En raison de ce principe, il n’y a pas de limite supérieure pour la capacité de la batterie de condensateurs, quel que soit le type de spécimen de test. C’est l’une des raisons de la plage d’application extrêmement large du testeur de bobine de puissance de la série DPG10/20 pour pratiquement tous les composants de puissance inductifs, des inducteurs CMS de petite taille aux inducteurs pesant plusieurs tonnes dans la plage des MVA.
Avantages du principe de mesure DPG10/20
- Large gamme d’applications
- Très large gamme de courants, disponibles de 10 mA à 10 kA
- Énergie d’impulsion disponible de plusieurs µJ à 15 kJ
- Convient à tous les matériaux de noyau de 1 MHz à < 0.5 Hz
- Petit, léger et relativement peu coûteux malgré les très forts courants de test
- Très facile à utiliser, résultats de mesure en quelques secondes
- Aucune influence thermique sur l’échantillon de test
Exemples d’application
- Inductances de stockage pour les alimentations à découpage, les convertisseurs CC/CC, etc.
- Inductances de filtrage pour les onduleurs, les convertisseurs, etc.
- Inductances secteur pour la correction du facteur de puissance, etc., et inductances de commutation
- Inductances de suppression et inductances compensées en courant
- Bobines d’électro-aimants, d’actionneurs à vanne, etc.
- Transformateurs pour les convertisseurs flyback
- Autres transformateurs et moteurs
- De nombreux autres composants de puissance inductifs
Principe de mesure des petits signaux des multimètres LCR avec une unité de polarisation en courant continu
Les multimètres LCR utilisent des tensions et des courants sinusoïdaux avec des fréquences sélectionnables dans la plage des mV à µV et mA à µA, superposés à un courant continu réglable. L’inductance, la résistance et le facteur de qualité peuvent ensuite être calculés à partir de l’amplitude et de l’angle de phase de la tension et du courant à travers le spécimen de test.
Figure 4. Mesure des petits signaux des multimètres LCR (méthode de l’équilibrage automatique). Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems [PDF]
Une telle modulation du matériau du noyau avec de minuscules courbes d’hystérésis autour d’un point de fonctionnement ne peut pas être trouvée dans les applications de l’électronique de puissance à commutation. Le résultat du test d’une telle mesure de petit signal n’est pas très significatif. La différence entre ces résultats de mesure et la méthode de mesure par impulsion DPG10/20 dépend fortement du matériau du noyau et ne peut pas être généralisée pour un groupe entier de matériaux. Dans certains cas, les différences sont relativement faibles, tandis que dans d’autres, elles peuvent être considérables.
En raison des grandes unités de polarisation en courant continu nécessaires, cette méthode est limitée à de faibles courants de mesure allant jusqu’à 250 A et nécessite un équipement de test très coûteux.
De nombreuses mesures individuelles doivent être effectuées pour créer une courbe de mesure complète L(i). Cela prend relativement beaucoup de temps et impose une charge thermique à l’échantillon de test. Dans la plage de surcharge, cela peut rendre la mesure du comportement de saturation impossible en raison de la surchauffe excessive. Au moins, le comportement ne peut pas être simplement mesuré à des températures définies car l’auto-échauffement détermine la température.
En revanche, la méthode de mesure par impulsion ne conduit à aucun échauffement mesurable de l’échantillon de test en raison de la courte durée de l’impulsion. Le comportement peut donc être déterminé à n’importe quelle température souhaitée, par exemple dans la chambre climatique.
Avantages du principe de mesure par impulsion par rapport à la mesure de petit signal avec l’unité de polarisation en courant continu
- Principe de mesure réaliste
- Des courants d’essai nettement plus élevés sont possibles
- Coûts d’équipement nettement moins élevés
- Aucune influence thermique sur l’échantillon de test, car l’impulsion de mesure est très courte (µs à ms)
Adaptateur de mesure pour la mesure des composants CMS de faible inductance jusqu’à 50 nH
La mesure précise de l’inductance des composants de faible inductance < 1 µH est fondamentalement problématique, sujette aux erreurs et exigeante sur le plan métrologique, quel que soit le dispositif de mesure et le principe de mesure utilisé. Dans le principe de mesure par impulsion du testeur de bobine de puissance de la série DPG10, ce sont les inductances parasites, le couplage inductif entre les fils de force et les fils de mesure, et la fréquence d’échantillonnage maximale qui sont importants pour un résultat de mesure précis.
En combinaison avec l’échantillon de test, l’inductance parasite des fils de test, ainsi que les inductances internes parasites du dispositif, forment un diviseur de tension inductif. Si ces inductances parasites sont plus grandes ou même beaucoup plus grandes que l’inductance de l’échantillon de test, seule une petite partie de la tension de l’impulsion de test est déposée sur l’échantillon de test. La plupart de celle-ci est ensuite déposée sur les inductances parasites. Bien qu’une mesure à 4 fils soit toujours effectuée, cela réduit la précision de mesure. Dans la mesure à 4 fils, la tension est prélevée directement sur l’échantillon de test via des fils de mesure séparés.
Pour éviter des résultats de mesure incorrects, les mesures doivent être rejetées si trop de tension d’impulsion est déposée sur les inductances parasites. Par conséquent, les inductances parasites doivent être minimisées pour mesurer les valeurs d’inductance les plus petites possibles.
Les fils de test jouent un rôle important dans les inductances parasites. Un fil de test idéal en fil litz de mesure hautement flexible avec une section transversale de cuivre de 6 mm² et une longueur de 0,6 m a déjà une inductance de plus de 700 nH. En combinaison avec d’autres inductances parasites pour les pinces crocodile sur l’échantillon de test et les inductances internes parasites du dispositif, cela limite la mesure à 500 nH au mieux.
Pour étendre la plage d’utilisation de la série DPG10 jusqu’à 50 nH, ed-k a développé de nouveaux adaptateurs de test Kelvin sans soudure pour les composants CMS qui peuvent être enfichés directement dans les prises sur le panneau frontal des dispositifs sans utiliser de fils de test. Ainsi, l’influence des fils de test peut être éliminée. Ces adaptateurs de test sont optimisés pour des inductances parasites minimales. En combinaison avec la conception interne optimale de la série DPG10 et les inductances parasites extrêmement faibles associées, la mesure peut être effectuée dans certains cas jusqu’à 50 nH.
Les adaptateurs de test Kelvin MABxSMD sont enfichés directement dans le panneau frontal. Il existe un adaptateur de test séparé (MAB1SMD, MAB2SMD ou MAB3SMD) pour chacune des trois gammes de mesure de la série DPG10. Les adaptateurs de test peuvent accueillir des composants CMS contactés sur la face inférieure avec une largeur de 5 à 25 mm, une longueur de 5 à 25 mm et une hauteur allant jusqu’à 25 mm. Après le positionnement, l’échantillon de test est maintenu en place par un support à ressort, ce qui facilite la manipulation.
Exemples de mesure
Les figures 5 à 8 montrent des exemples de mesure d’inducteurs CMS de la gamme de catalogues de différents fabricants.
Figure 5. Inductance nominale 200 nH, courant thermiquement admissible 92 ARMS. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems [PDF]
La figure 5 montre l’inductance de différentiel Ldiff(i) d’un inducteur avec un cœur en ferrite EP et un entrefer déterminé avec le testeur de bobine de puissance DPG10-1000B et l’adaptateur de test Kelvin MAB1SMD. Selon la fiche technique, le courant de saturation avec une diminution de 20% de l’inductance est de 113 A, et le courant thermiquement admissible efficace est de 92 A. L’inductance nominale de 200 nH, selon la fiche technique, n’est pas tout à fait atteinte (194 nH). Cependant, le courant de saturation est nettement supérieur à la spécification (environ 150A).
Il y a plusieurs raisons à ces différences.
Tout d’abord, il y a les différentes méthodes de mesure. Comme expliqué précédemment, le testeur de bobine de puissance de la série DPG10 utilise des impulsions de mesure de grand signal en forme d’ondes carrées orientées vers l’application avec la même amplitude que dans l’application réelle. La modulation à petit signal du matériau du noyau avec des tensions sinusoïdales dans la plage des µV ou mV et des courants dans la plage des µA ou mA fournit des résultats différents en fonction du matériau du noyau.
Cependant, avec des valeurs d’inductance extrêmement faibles, même les plus petites différences dans la géométrie de l’installation de test jouent un rôle qui ne peut être négligé. Même de petites déviations du point de test sur le composant ou le type d’alimentation en courant (par exemple, plan ou ponctuel) peuvent conduire à des résultats de mesure différents. Pour obtenir des résultats de test reproductibles, la géométrie de l’installation de test doit toujours être la même. Cela est difficile à garantir sans des adaptateurs de test spéciaux et s’applique non seulement au principe de mesure par impulsion, mais également de la même manière aux mesures de petit signal avec les multimètres LCR.
Enfin, il faut également tenir compte de la dispersion des spécimens allant jusqu’à 10%.
L’inducteur dans la figure 6, dans un boîtier 5050, est constitué d’un matériau de cœur en poudre avec un entrefer distribué. La valeur nominale de 220 nH est dépassée au début (280 nH). Le courant thermiquement admissible efficace est spécifié à 66 A, et le courant de saturation avec une diminution de 20% de l’inductance est spécifié à 68 A.
Les mêmes raisons s’appliquent aux différences entre la mesure par impulsion et les spécifications de la fiche technique que dans l’exemple précédent. La spécification de la fiche technique pour L0 (220 nH @ 100 kHz, 0,25 V) ne peut pas être reproduite avec un multimètre LCR sans adaptateur de test spécial. Cela est difficile même avec un adaptateur de test soigneusement calibré. L’inductance initiale réelle L0 semble être systématiquement plus grande que la spécification, ce qui est confirmé par la mesure avec le testeur de bobine de puissance DPG10.
Figure 6. Inductance nominale 220 nH, courant thermiquement admissible 66 ARMS, boîtier 5050. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems [PDF]
La courbe de saturation du matériau de cœur en poudre est beaucoup plus souple que celle des noyaux en ferrite avec un entrefer. Par conséquent, ce matériau de noyau est moins problématique lorsqu’il est utilisé dans des applications d’électronique de puissance à commutation si le courant atteint des valeurs bien supérieures au courant nominal en cas de panne. Même à 200 A, cet échantillon a toujours une inductance de plus de 140 nH.
Ces déclarations s’appliquent également de manière analogue à l’inducteur dans la figure 7. Il a une inductance nominale de 470 nH avec un courant thermiquement admissible de 30 ARMS dans un boîtier 4040 (10 x 10 x 4 mm³) et se compose du même matériau de cœur.
Figure 7. Inductance nominale 470 nH, courant thermiquement admissible 30 ARMS, boîtier 4040. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems [PDF]
Le dernier exemple de mesure dans la figure 8 est un petit inducteur CMS avec des dimensions de 8 x 8 x 4 mm³. Il s’agit également d’un noyau en poudre avec un entrefer distribué. Dans ce cas, les valeurs mesurées s’écartent légèrement des spécifications de la fiche technique en raison de l’écart d’échantillon (inductance à 3.2 A 28.6 µH, spécification de la fiche technique 26.4 µH). Mesurer de telles valeurs d’inductance plus élevées est beaucoup moins critique et moins sujet aux erreurs.
Considérations sur le choix correct des paramètres de mesure
Pour des valeurs d’inductance très faibles, les deux paramètres de mesure – le courant d’essai et la tension d’essai – ne peuvent plus être librement sélectionnés. Cela est dû à la durée minimale de l’impulsion de 3 µs de la série DPG10. La durée d’impulsion de test peut être estimée approximativement à l’aide de la formule suivante :
\[\Delta\,t=L_{diff}*\Delta\,i/V\]
La formule indique que plus l’inductance est petite, plus le courant d’essai est faible et plus la tension de mesure est élevée, plus la durée de l’impulsion est courte. Pour des valeurs d’inductance très faibles, la tension d’essai doit être aussi faible que possible et le courant d’essai aussi élevé que possible. La tension d’essai la plus faible pré-réglable est de 10 V, bien que la tension d’essai effective puisse être aussi faible que 6-8 V en raison des chutes de tension parasites à des courants plus élevés.
Figure 8. Inductance nominale 33 µH, courant thermiquement admissible 3.1 ARMS, boîtier 3232. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems [PDF]
Il en résulte les courants d’essai minimums requis suivants pour une inductance donnée :
- 100 nH => environ 150 A
- 1 µH => environ 20 A
- 10 µH => environ 3 A
Cependant, les composants avec un courant nominal nettement inférieur peuvent généralement être mesurés en sélectionnant un courant d’essai correspondamment plus élevé jusqu’à ce qu’une mesure soit possible. Comme l’impulsion de test est extrêmement courte, un multiple du courant nominal ne provoque aucun échauffement ni aucune détérioration du composant.
Conclusion
La mesure précise de l’inductance des composants de faible inductance < 1 µH est fondamentalement problématique, sujette aux erreurs et exigeante sur le plan métrologique.
Avec les nouveaux adaptateurs de test, il est plus facile de mesurer l’inductance L(i) des inducteurs CMS jusqu’à 50 nH de manière plus réaliste que avec les multimètres LCR.
Le principe de mesure par impulsion permet d’obtenir un équipement de mesure beaucoup moins cher, notamment pour des courants supérieurs à 20 A.
On espère que la méthode de mesure à petit signal encore souvent utilisée pour les inducteurs CMS montés sur circuit imprimé sera remplacée par une spécification plus réaliste utilisant la méthode de mesure par impulsion, qui utilise des impulsions carrées avec une amplitude proche des applications réelles.
Cet article a été initialement publié dans le magazine Bodo’s Power Systems [PDF].