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Fiche Technologies -> Inductances et transformateurs

Objet

Cette fiche couvre les matériaux et technologies des inductances et transformateurs. Le document apporte des informations d'impacts environnementaux afin de guider les concepteurs dans la sélection de règles d'écoconception (cf. fiches opérationnelles).

1. Rappel technologique

Le choix de la technologie d'inductances dépend principalement du matériau du noyau, qui dicte la saturation, les pertes et la réponse en fréquence.

Technologie (Noyau) Avantages Inconvénients Applications
Air (Sans noyau)

- Linéarité parfaite (pas de saturation)

- Pertes nulles dans le noyau

- Stabilité totale en température

- Pas d'hystérésis

- Inductance très faible pour un volume donné

- Rayonnement électromagnétique élevé (EMI)

- Nécessite beaucoup de cuivre (encombrement)

- Circuits RF haute fréquence (> 100 MHz)

- Applications de très forte puissance pulsée

- Étalon de précision
Ferrite (MnZn, NiZn)

- Faibles pertes à haute fréquence

- Haute perméabilité (bonne inductance/volume)

- Isolant électrique (faibles courants de Foucault)<br>- Coût modéré

- Saturation magnétique faible

- Fragile (cassant)

- Sensible à la température

- Pertes élevées en basse fréquence

- Alimentations à découpage (SMPS)

- Filtres EMI/EMC

- Transformateurs d'isolement HF

- Inductances de mode commun
Poudre de Fer (Iron Powder)

- Saturation progressive (douce)

- Très robuste mécaniquement

- Faible coût

- Bon compromis pertes/saturation en BF/MF

- Pertes par hystérésis élevées en HF

- Densité de flux limitée

- Sensible à la température (vieillissement)

- Filtres de sortie d'alimentations (Post-régulation)

- Circuits de correction de facteur de puissance (PFC)

- Inductances de lissage basse fréquence
Alliage Moulé (MPP, Sendust, High Flux)

- Excellente stabilité en température

- Faibles pertes (supérieur à la poudre de fer)

- Saturation élevée (surtout High Flux)

- Faible bruit magnétique

- Coût élevé (surtout MPP - Nickel)

- Densité élevée (lourd)

- Criticité des matériaux (Nickel, Cobalt)

- Équipements militaires et aérospatiaux

- Onduleurs solaires haute performance

- Filtrage critique dans l'automobile

La distinction se fait principalement sur le matériau du circuit magnétique, influençant le rendement et les pertes à vide des transformateurs.

Technologie (Noyau) Avantages Inconvénients Applications
Fer-Silicium (Tôles grain orienté)

- Technologie mature et robuste

- Coût de fabrication faible

- Bonne saturation (1.9 - 2.0 Tesla)

- Réparable

- Pertes à vide (hystérésis/Foucault) significatives

- Bruit magnétique (magnétostriction)

- Limité en fréquence (< 400 Hz - 1 kHz)

- Transformateurs de distribution réseau (50/60 Hz)

- Transformateurs d'isolement industriels

- Alimentations linéaires classiques
Alliage Amorphe (Metal Glass)

- Pertes à vide réduites de ~70-80% vs Fer-Silicium

- Excellente efficacité énergétique

- Faible courant de magnétisation

- Coût plus élevé

- Saturation plus faible (~1.5 T)

- Fragile (ruban mince), sensible aux chocs mécaniques

- Bruit spécifique

- Transformateurs de distribution "Eco-efficient"

- Applications où le coût de l'énergie prime sur l'investissement

- Éclairage public, réseaux électriques verts
Nanocristallin

- Pertes ultra-faibles (meilleur que l'amorphe)

- Très haute perméabilité

- Excellente stabilité en température

- Compact (haute densité de flux)

- Coût très élevé

- Sensible aux contraintes mécaniques (vibrations)

- Limité en puissance très élevée (coût prohibitif)

- Transformateurs de mesure haute précision

- Filtres de mode commun haute performance

- Électronique de puissance avancée (Véhicules électriques, Solaire)
Ferrite (Transformateurs HF)

- Indispensable pour les hautes fréquences (> 10 kHz)

- Faibles pertes en HF

- Isolant électrique

- Permet une miniaturisation extrême

- Saturation faible

- Fragile

- Inutilisable en 50/60 Hz (saturerait instantanément)

- Alimentations à découpage (PC, Chargeurs)

- Onduleurs photovoltaïques

- Chargeurs de véhicules électriques

- Électronique de télécom

2. Enjeux environnementaux

Le tableau ci-après compare le contenu typique en matériaux des inductances. Il rapporte les déclarations de matériaux de 3 exemples de références employées dans des convertisseurs DC/DC « Buck ». La première technologie (Wurth) de mêmenoyau valeur.est Enun orange,alliage lespresque matièresentièrement premièrescomposé critiquesde Fer. La 2e référence (CRM)Venkel) sonta misesun ennoyau évidence.de ferrite constitué majoritairement de Fer mais aussi d’autres matériaux. Le dernière référence (TDK) a un noyau magnétique composé de Manganèse et Zinc.

image.png

En

Source Kemet YAGEO : https://yageogroup.com/About/Sustainability/Environment/KemetFocus

Source TDK : https://www.tdk-electronics.tdk.com/en/389296/company/sustainability/environmental-protection/material-data-sheets/aluminum-electrolytic-capacitors

La figure ci-après illustre les impacts environnementaux de l'extraction des matières premières et deproportion, la fabrication3e d'unréférence cas d'usage des 3 technologies de condensateurs. L'unité fonctionnelle commune est une capacité de 220 uF, ce qui signifie que les références Céramique et Tantale sont instanciées 10 fois. La technologie Tantale est de loinembarque la plus polluantegrande pourmasse 10de indicateursmatériaux surcritiques 11.(manganèse, Lacuivre). technologieLes Electrolytique2 contribuepremières majoritairementréférences àcontiennent l'épuisementdans des ressourcesproportions fossilesréglementaires (notammentcf. enREACH, raisonRoHS) des substances classées comme dangereuses : bisphénol A et retardateur de la proportion des matériaux plastiques contenus). La technologie Céramique génère une part négligeable d'impacts pour ce cas d'usage.

    image.png

    Note : modélisation effectuée avec la base CODDE® 2026-04 du logiciel EIME.

    Le tableau ci-après synthétise les enjeux environnementaux des technologies de condensateurs.flamme.

    :difficile :réduitremplacement Durée de vie limitée génère potentiellement un flux de déchets conséquent

    estprocessuscomplexe Le tantale (coltan) est souvent issu de zones de conflit (RDC), posant de graves problèmes éthiques et humains

    faibleduDEEE : Basé sur des dérivés pétrochimiques (polyester, polypropylène)

    plastiquesàspécifiquement : Utilise des polymères conducteurs synthétiques (dérivés pétrochimiques)

    à les :le(moins trèsraison tantale
    TechnologieEnjeux environnementaux
    Céramique

    Référence Fabricant 

    - Extraction :74438356022 Utilise des terres rares et métaux (titane, baryum, zirconium) dont l'extraction est énergivore

    -Wurth

    Recyclage

     

    Très    		 à recycler en raison de la petite taille et du mélange de matériaux

    SMPI404020

    -Venkel

    Durée de

    vie

     

    Excellente,    		 la

    B82559B9153A019

    fréquence

    TDK

    de

     

     
    Electrolytique

    Inductance

    -2.2 DéchetsµH

    :

    - Chimie : Contient un électrolyte liquide (solvants organiques) potentiellement polluant si mal traité

    -2.2 µH

    Recyclage :

    L'aluminium    		 recyclable,

     mais

    le    		 de

    15 séparationµH

    est

     

     
    Tantale

    Masse

    -230 Éthiquemg

    :

    - Extraction : Impact environnemental lourd de l'extraction minière

    -125 mg

    Recyclage :

    Très    		 taux

     de

    récupération    		 tantale

    10700 dansmg

    les

     

     
    Film plastique

    Courant max

    -4.05A

    Matériaux

    - Durée de vie : Très longue, excellent bilan sur le cycle de vie

    -3.4A

    Recyclage :

    Les    		 techniques

     sont

    difficiles    		 trier

    10.7A et

    recycler

     

     
    Aluminium-Polymère

    Sous-parties

    -Matériaux

    Chimie

    - Durée de vie : Supérieure à l'électrolytique liquide, réduit les déchets à long terme

    -Sous-parties

    Matériaux

     

    RecyclageSous-parties

    :

    Matériaux

    Similaire    		 l'électrolytique

     (Alu recyclable, polymère complexe)

    Tantale-PolymèreNoyau

    -Fer

    Éthique90.1%

    :

    Noyau

    Limite    		 problèmes d'approvisionnement en tantale (zones

    Oxide de conflit)Fer

    -34.8%

    Sécurité

    Noyau

    Élimine    		 risque

    Manganèse

    d'incendie

    32.2%

     

    Silice

    0.1%

     

    Oxide de pollution accidentelle)Nickel

    -9.0%

    Recyclage :

    Reste    		 faible

    Zinc

    en

    38.4%

     

    Chrome

    0.7%

     

    Oxide de laZinc

    complexité

    10.2%

    Bobinage

    Cuivre

    16.1%

     

    Silicium

    0.5%

     

    Oxide de Cuivre

    6.0%

     

    Polyurethane

    0.9%

    Bobinage et duterminaisons

    coût

    Cuivre

    7.9%

     

    Argent

    1.5%

    Terminaisons

    Etain

    0.9%

     

    Résine

    0.5%

     

    Nickel

    1.4%

     

    Cuivre

    4.2%

     

    Argent

     

     

    Etain

    1.1%

    Encapsulation

    Phénolplaste

    7.2%

     

    Nickel

     

    Bobinage

    Cuivre

    22.8%

     

    Fibre de récupérationverre

    du

    0.0%

     

    Chrome 

     

     

    (NHCOO)n

    1.2%

     

    Epoxy

    0.1%

     

    Nickel

     

    Terminaisons

    Etain

    4.0%

     

     

     

    Revêtement

    Etain

    0.2%

    Encapsulation

    Résine époxy

    4.0%

     

     

     

     

    Nickel

    0.1%

     

    Agent de durcissement

    0.8%

     

     

     

     

     

     

     

    Retardateur de flamme

    0.9%

     

     

     

     

     

     

     

    Oxide d'Aluminium

    1.9%

     

     

     

    %CRM

     

    8%

     

     

    39%

     

     

    52.5%

    Le tableau suivant donne l’empreinte environnementale pour 2 indicateurs : GWP rapporté à la masse et l’inductance et MDI (voir la définition dans la fiche Topologies d’Alimentation).

    Les matériaux déclarés ont été modélisés dans le logiciel ACV EIME (CODDE). Seuls les procédés d’extraction et de transformation des matières premières sont considérés. Une correspondance est appliquée avec les matériaux de la base de données CODDE. Les procédés d’assemblage des matériaux dans les composants inductances ne sont pas considérés car non documentés par les fabricants.

     

    74438356022

    Wurth

    SMPI404020

    Venkel

    B82559B9153A019

    TDK

    Inductance

    2.2 µH

    2.2 µH

    2.2 µH

    Masse

    230 mg

    125 mg

    125 mg

    Ratio GWP mgCO2e/mg

    3.36

    4.86

    3.01

    Ratio GWP gCO2e/uH

    0.35

    0.28

    2.15

    MDI µg SBe/mg

    0.47

    14.48

    0.78

    Les 3 références ont une empreinte carbone similaire rapportée à leur masse. Le 2e référence présente cependant la plus forte empreinte carbone.

    Pour l’indicateur d’épuisement des ressources, la 2e référence a une empreinte matière 20 à 30 fois supérieure du fait de la criticité des métaux employés dans le noyau magnétique.

    3. Synthèse

    Efficacité Énergétique (Usage) vs Matériaux (Fabrication)

    InductancesPour les applications connectées au réseau (50/60 Hz), le passage du Fer-Silicium à l'Amorphe ou au Nanocristallin est le levier écologique le plus puissant. Les pertes réduites à vide compensent largement le coût énergétique et financier de fabrication sur la durée de vie (30+ ans).
    TransformateursPour l'électronique embarquée (HF), la Ferrite reste le meilleur compromis volume/performance, mais son recyclage est un point noir majeur.

    Matériaux critiques

    • Pour réduire la dépendance aux métaux à fort impact éthique et environnemental, le Nickel et le Cobalt sont à éviter lorsque des alternatives en Poudre de Fer ou Ferrite suffisent techniquement
    • L'Air est la solution la plus "propre" chimiquement, mais son inefficacité volumique la réserve aux cas où la linéarité est critique

    Fin de vie

    Inductances

    Les petites inductances/transformateurs Ferrite des équipements finissent dans les broyats de cartes électroniques qui sont ensuite recyclées par traitement pyrométallurgie.

    Le cuivre des inductances est valorisé, potentiellement l’argent aussi. Les autres métaux en trop faible quantité ne sont pas récupérés.
    TransformateursLes transformateurs en tôles (Fer-Silicium/Amorphe) sont bien recyclés industriellement.

    Recommandations d’écoconception

    • En complément des caractéristiques techniques intrinsèques aux composants (cf. datasheet), consulter les déclarations de matériaux pour identifier ceux qui sont critiques. Envisager un seuil raisonnable (pourcentage la masse) à ne pas dépasser.
    • Augmenter la fréquence de découpage permet de réduire la valeur d’inductance donc les dimensions (i.e la masse) des composants et donc probablement l'empreinte environnementale

     

     

     

     

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