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

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

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

Les impacts environnementaux des inductances sont illustrés avec trois références de composants appliqués dans un convertisseur DC/DC « Buck ». Chacune référence choisie possède une déclaration des matériaux :

Ferrite 2.2 µH ; Imax = 4.05 A; réf. 74438356022 Wurth Electronik ; masse = 230 mg
Ferrite 2.2 µH ; Imax = 3.4 A ; réf. SMPI404020 Venkel ; masse = 125 mg
Ferrite 15 µH ; Imax = 3.4 A ; réf. B82559B9153A019 TDK ; masse = 10700 mg

Matériaux critiques (CRM)

Le tableau ci-après compare le contenu typique en matériaux des 3 références d'inductances. La première technologie (Wurth) de noyau est un alliage presque entièrement composé de Fer. La 2^e référence (Venkel) a un noyau de ferrite constitué majoritairement de Fer mais aussi d’autres matériaux. Le dernière référence (TDK) a un noyau magnétique composé de Manganèse et Zinc.

74438356022 Wurth Electronik			SMPI404020 Venkel			B82559B9153A019 TDK
Sous-parties	Matériaux	%	Sous-parties	Matériaux	%	Sous-parties	Matériaux	%
Noyau	Fer	90.1%	Noyau	Oxide de Fer	34.8%	Noyau	Manganèse	32.2%
	Silice	0.1%		Oxide de Nickel	9.0%		Zinc	38.4%
	Chrome	0.7%		Oxide de Zinc	10.2%	Bobinage	Cuivre	16.1%
	Silicium	0.5%		Oxide de Cuivre	6.0%		Polyurethane	0.9%
Bobinage et terminaisons	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 verre	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%

A retenir :

En proportion, la 3^e référence embarque la plus grande masse de matériaux critiques (manganèse, cuivre). Les 2 premières références contiennent dans des proportions réglementaires (cf. REACH, RoHS) des substances classées comme dangereuses : bisphénol A et retardateur de flamme.

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

Analyse comparative :

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

Pour l’indicateur d’épuisement des ressources, la 2^e 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)

Inductances	Pour 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).
Transformateurs	Pour 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.
Transformateurs	Les 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