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.

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. Le type de boitier n'entre pas dans la classification des tableaux suivants.

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. Aspects environnementaux

Les aspects 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

Impacts d'épuisement des matières premières

Le tableau ci-après compare le contenu typique en matériaux des 3 références d'inductances. La dernière ligne indique le pourcentage massique de CRM (Critical Raw Material). La première technologie (Wurth Electronik) 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	négligeable		Etain	1.1%	Encapsulation	Phénolplaste	7.2%
	Nickel	négligeable	Bobinage	Cuivre	22.8%		Fibre de verre	0.0%
	Chrome	négligeable		(NHCOO)n	1.2%		Epoxy	0.1%
	Nickel	négligeable	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%	% CRM		39%	% CRM		52.5%
MDI (mg Cu-éq. / mg composant)		0.2	MDI (mg Cu-éq. / mg composant)		3.2	MDI (mg Cu-éq. / mg composant)		0.33

A retenir

Le taux de matériaux critiques (CRM) varie fortement entre les trois références malgré des valeurs d'inductance proches : 8 % pour le noyau fer (Wurth), 39 % pour le noyau ferrite MnZn/NiZn (Venkel) et 52,5 % pour le noyau MnZn (TDK). À valeur nominale équivalente, le matériau de noyau est donc le levier principal de réduction de la dépendance aux matières premières critiques.

Taille des composants et fréquence de découpage

Les calculs ci-après illustrent, par un exemple, les conséquences du changement de fréquence d'un convertisseur Buck sur la taille des inductances et la surface associée du circuit imprimé.

Fréquence de découpage	200 KHz	500 KHz	1 MHz	2 MHz
Références d'inductances	WE 744393605100	WE 74439387047	WE 744393445022	WE 7443845030010
Valeurs d'inductances (µH)	10	4.7	2.2	1
Masse (mg) des inductances	6700	2430	770	590
Empreinte nécessaire estimée du circuit imprimé (mm2)	397	232	292	130
Impact environnemental en relatif par rapport à F=200 KHz (épuisement des ressources - Sbe)	1	0.36 (÷ 2.76)	0.12 (÷ 8.58)	0.09 (÷ 11.27)

Hypothèses : Tension d’entrée : 36V ; Tension de sortie : 5V ; Courant de sortie : 6A ; Composants de Wurth Electronik

Note : modélisation effectuée avec la base CODDE® 2026-04 du logiciel EIME. Inductance ferrite fabriquée en Europe, circuit imprimé 2 couches fabriqué en Chine.

Impacts des émissions polluantes

Le tableau suivant donne l’empreinte environnementale pour l'indicateur de Changement Climatique (GWP).

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	15 µH
Masse	230 mg	125 mg	10700 mg
Ratio GWP mgCO2e/mg	3.36	4.86	3.01
Ratio GWP gCO2e/uH	0.35	0.28	2.15

A retenir

.Le ratio GWP par unité de masse reste comparable entre les trois références (3,0 à 4,9 mgCO2e/mg), mais le ratio par unité fonctionnelle (µH) révèle un écart de facteur 6 à 8 : 0,28-0,35 gCO2e/µH pour les références à 2,2 µH contre 2,15 gCO2e/µH pour la référence TDK à 15 µH. L'impact carbone doit donc s'évaluer à l'unité fonctionnelle plutôt qu'à la masse — réduire la valeur d'inductance requise (cf. fréquence de découpage, tableau suivant) reste le levier le plus direct.

3. Synthèse pour l'écoconception

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.

Matières premières

• 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

• Consulter les déclarations de matériaux avant toute sélection de référence : le taux CRM et la présence de substances préoccupantes (nickel, retardateurs de flamme) varient significativement entre références de même valeur nominale et même technologie de noyau.
• Éviter les noyaux NiZn et les alliages MPP (nickel, cobalt) lorsque les contraintes électriques le permettent. Un noyau fer ou MnZn offre une criticité matière nettement inférieure pour les applications de filtrage et de lissage en fréquence basse et moyenne.
• Augmenter la fréquence de découpage pour réduire la valeur d'inductance requise et, par conséquent, la masse du composant. C'est le levier le plus direct sur l'empreinte carbone absolue — l'écart de GWP entre la référence TDK (15 µH, 10 700 mg) et les deux références à 2,2 µH en est une illustration directe.
• Pour les transformateurs basse fréquence (50/60 Hz), privilégier les noyaux en alliage amorphe ou nanocristallin : la réduction des pertes à vide sur une durée de service de 30 ans ou plus compense largement le surcoût de fabrication.
  

CheckList

N°	Axe d'éco-conception	Recommandation	Lien vers la source	Priorité
1	Choix des matériaux	La déclaration de matériaux du composant a-t-elle été consultée avant la sélection, afin de vérifier le taux de matériaux critiques (CRM) et la présence de substances préoccupantes (nickel, retardateurs de flamme) ?	§3 Recommandations	Haute
2	Choix des matériaux	Les noyaux NiZn et les alliages MPP (nickel, cobalt) ont-ils été écartés au profit d'un noyau fer ou MnZn, dès lors que les contraintes électriques (filtrage, lissage BF/MF) le permettent ?	§3 Recommandations	Haute
3	Choix des matériaux	[Transformateurs BF 50/60 Hz] — Un noyau en alliage amorphe ou nanocristallin a-t-il été envisagé à la place du Fer-Silicium, afin de réduire les pertes à vide de 70 à 80 % sur la durée de service ?	§3 Synthèse	Haute
4	Consommation énergie	[Inductances HF] — La fréquence de découpage a-t-elle été maximisée afin de réduire la valeur d'inductance requise et, par conséquent, la masse du composant (levier direct sur le GWP absolu) ?	§3 Recommandations	Haute
5	Fin de vie	[Transformateurs BF en tôles] — Le transformateur est-il conçu pour être démontable séparément de la carte, afin de permettre son recyclage industriel en filière Fer-Silicium / amorphe ?	§3 Fin de vie	Medium