Ferrites doux pour l’électronique de puissance

Les ferrites sont des oxydes magnétiques présentant un magnétisme particulier appelé ferrimagnétisme. Louis Néel, prix Nobel de Physique en 1970, a largement contribué à l’explication et à la compréhension de leurs propriétés.

Il existe deux grandes familles de ferrites industriels : les ferrites doux et les ferrites durs que l’on trouve essentiellement à l’état polycristallin, sous forme de céramique massive. Cette appellation tire son origine des premiers aimants techniques qui étaient fabriqués à partir d’aciers au début du XX^e siècle. En effet, le fer métallique, lorsqu’il contient des impuretés comme des inclusions de carbone, présente à la fois un champ coercitif élevé et une dureté mécanique importante ; lorsqu’il est pur, son champ coercitif est faible et sa dureté mécanique diminue (matériau doux, traduction de l’anglais « soft material »).

Les ferrites durs sont donc employés comme aimants permanents [D 2 100]. Les ferrites doux sont utilisés comme noyaux magnétiques à faibles pertes pour la réalisation de transformateurs et d’inductances en électronique de puissance [E 2 130]. Leur résistivité électrique élevée (> 1 Ω · m) et leur faible coût de fabrication sont à l’origine des nombreuses applications industrielles de ces matériaux. Leur polarisation magnétique à saturation J_s est inférieure à 0,6 T donc plus faible que celle de métaux tels que le fer ou le cobalt. Les champs coercitifs les plus faibles sont proches de 10 A/m, donc 10 fois plus grands que les alliages métalliques les plus doux. Malgré cela, leurs performances à fréquence élevée (f > 100 kHz) sont nettement supérieures à celles de tous les autres matériaux magnétiques.

Les ferrites doux regroupent trois familles de matériaux :

• la 1^re famille est celle des ferrites spinelles de manganèse-zinc (Mn-Zn) utilisés pour des fréquences allant de 10 kHz à 1 MHz. Ces matériaux sont principalement utilisés dans les domaines de la conversion d’énergie ou du traitement du signal. Leur résistivité électrique vaut typiquement 1 Ω · m ;

• la 2^e famille est celle des ferrites spinelles de nickel-zinc et de nickel-zinc-cuivre (Ni-Zn et Ni-Zn-Cu) utilisés entre 1 et 500 MHz. Leur résistivité électrique peut atteindre 10⁸ Ω · m. Comme les ferrites Mn-Zn, ils sont utilisés pour la réalisation de transformateurs ou d’inductances ;

• enfin, la 3^e famille est celle des ferrites dits « hyperfréquences » (0,1 à 100 GHz). On trouve principalement dans ce groupe des ferrites de type spinelle et de type grenat. Ils sont utilisés pour la réalisation de composants hyperfréquences spécifiques tels que les circulateurs (ou isolateurs), les filtres accordables, les switchs et les déphaseurs [E 1 760].

Si aujourd’hui les ferrites spinelles de manganèse-zinc constituent la plus grande partie de la production mondiale de ferrites doux, il faut se rappeler qu’avant l’avènement des alimentations à découpage et la montée en fréquence des télécommunications, les ferrites « haute fréquence » de nickel-zinc étaient les plus utilisés. L’industrie des ferrites doux évolue comme le monde de l’électronique et on peut penser que les années qui viennent verront encore des mutations profondes dans ce secteur.

Outre leur bas coût de fabrication, le succès industriel des ferrites est dû aux innombrables compositions chimiques qu’il est possible de réaliser et qui conduisent à autant de propriétés magnétiques différentes. Pour chaque type d’application (niveau de puissance, gamme de fréquence, gamme de température…), il existe un matériau optimisé et son optimisation passe par une analyse détaillée de son environnement électrique. Dans le paragraphe 5, nous tenterons de situer les différentes variétés de ferrites doux par rapport aux autres types de matériaux magnétiques utilisables en électronique de puissance, notamment les alliages métalliques nanocristallins, sous forme de ruban enroulé.

Pour finir, il est bon de préciser que le nom « ferrite » désignant les oxydes magnétiques est masculin et qu’il ne faut pas confondre avec la ferrite qui désigne une variété allotropique du fer contenant des inclusions de carbone en faible quantité.