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RÉSUMÉ
Les ferrites sont des oxydes magnétiques dont les propriétés remarquables dépendent de la structure cristallographique, de la composition chimique et de la microstructure. Les ferrites de structure cubique (spinelle et grenat) qui font l’objet de cet article font partie des matériaux magnétiques doux (faible champ coercitif et faibles pertes magnétiques). Ils peuvent être utilisés de 10 kHz à plusieurs dizaines de GHz mais, pour chaque application, l’utilisateur se doit de trouver la meilleure référence parmi une multitude de choix possibles. Cet article a pour but de l’aider dans cette démarche.
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Richard LEBOURGEOIS : Docteur de l'Institut National Polytechnique de Grenoble - Responsable des Études Ferrites et Diélectriques à Thales Research & Technology, Palaiseau, France
INTRODUCTION
La découverte de nouveaux oxydes magnétiques appelés ferrites au début des années 1900 a tout d'abord motivé de nombreux théoriciens qui ont tenté d'expliquer leurs propriétés magnétiques. C'est à partir des années 1940-1950 qu'en France Louis Néel, qui sera prix Nobel de Physique en 1970, a commencé à élaborer sa théorie du ferrimagnétisme qu'il a appliquée à l'ensemble des ferrites avec succès. Cette théorie décrit essentiellement les propriétés magnétiques statiques de ces matériaux : aimantation à saturation et température de transition. Par la suite, on a découvert de nombreuses applications à ces nouveaux matériaux, notamment pour les utilisations à haute fréquence rendues possibles grâce à leur résistivité électrique élevée (> 1 Ω · m) qui distingue les oxydes des métaux.
Les ferrites sont obtenus en faisant réagir à haute température de l'oxyde de fer, principalement l'hématite αFe2O3, avec d'autres oxydes métalliques. La grande diversité des ferrites vient des nombreuses possibilités de substitutions cationiques dans leurs solutions solides. Cela donne autant de propriétés magnétiques différentes que de combinaisons possibles. Nous essaierons de montrer que pour chaque type d'application (niveau de puissance, gamme de fréquence, gamme de température) il existe un matériau optimisé et que son optimisation passe par une analyse détaillée de son environnement électrique.
Nous terminerons cette introduction en précisant que le nom « ferrite » désignant les oxydes ferrimagnétiques est masculin mais qu'il existe aussi la ferrite qui désigne une variété allotropique du fer. Nombreux sont les utilisateurs de ces oxydes qui pour désigner le noyau d'une inductance parlent de « la ferrite », sans doute en référence à la self-inductance (souvent appelée bobine) qu'il permet de réaliser.
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MOTS-CLÉS
électronique de puissance modules hyperfréquences matériaux magnétiques composants passifs
VERSIONS
- Version archivée 1 de juin 1987 par Patrick BEUZELIN
- Version archivée 2 de févr. 2000 par Richard LEBOURGEOIS
DOI (Digital Object Identifier)
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Ferrites de nickel-zinc et applications5. Ferrites de manganèse-zinc et applications
Les ferrites de manganèse-zinc sont dans l'industrie des ferrites doux les plus importants puisqu'ils représentent environ 70 % du CA mondial. Leurs principales applications concernent les forts niveaux de puissance dans lesquels le matériau va transférer ou stocker l'énergie électrique sous forme magnétique et les bas niveaux dans lesquels le matériau va transmettre avec ou sans modification des signaux de faible amplitude.
5.1 Ferrites Mn-Zn pour applications de puissance
Les applications dites de puissance des ferrites Mn-Zn concernent la conversion d'énergie électrique (convertisseurs continu-continu, alimentations à découpage). Dans ces applications, on utilise de préférence les ferrites Mn-Zn au détriment des matériaux magnétiques métalliques (tôles fer-silicium, fer-nickel ou amorphes) dès lors que la fréquence de fonctionnement dépasse le kilohertz. Les fréquences d'utilisation peuvent monter jusqu'à 1 MHz voire 10 MHz à condition de diminuer l'induction dans le matériau (cf. tableau 10). L'intérêt d'augmenter la fréquence de fonctionnement est qu'ainsi le produit B · f augmente et donc la puissance transmise par le transformateur.
Un seul ferrite ne peut couvrir toute la gamme de fréquence et tous les types de fonctionnement. Les fabricants de ferrites ont donc été amenés à optimiser plusieurs matériaux pour répondre aux diverses demandes. Quelles que soient les fréquences et les inductions de fonctionnement des ferrites de puissance Mn-Zn, ces matériaux doivent être caractérisés en température car le transformateur d'une alimentation fonctionne à une température supérieure à 25 °C, le plus souvent 60, 80 ou 100 °C. Un exemple est donné figure 7 pour un ferrite de puissance optimisé à 100 °C pour un fonctionnement à 100 kHz et 200 mT.
Dans ce qui suit, nous prendrons comme référence les matériaux de Ferroxcube puisqu'ils sont très populaires en Europe et qu'ils sont représentatifs de l'état de l'art.
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Ferrites de puissance à usage industriel
Ces matériaux ont des fréquences de fonctionnement dans la gamme basse des moyennes fréquences (16 à 25 kHz). Un ferrite typique pour ce type d'applications est par exemple le matériau 3C90...
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Ferrites de manganèse-zinc et applications
BIBLIOGRAPHIE
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(1) - BERTAUT (F.), FORRAT (F.) - Structure des ferrites ferrimagnétiques des terres rares - . CR Hebd. Séan. Acad. Sci. (F) 242, p. 382 (1956).
-
(2) - SMIT (J.), WIJN (H.P.J.) - Les ferrites - . Dunod (1961).
-
(3) - GUYOT (M.), CAGAN (V.) - Temperature dependence of the domain wall mobility in YIG, deduced from the frequency spectra of the initial susceptibility of polycrystals - . JMMM 27, pp. 202-208 (1982).
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(4) - LEBOURGEOIS (R.), PERRIAT (P.), LABEYRIE (M.) - High and low level frequency losses in Ni-Zn and Mn-Zn spinel ferrites - I. CF 6, Tokyo, p. 1159 (1992).
-
(5) - MORINEAU (R.), PAULUS (M.) - Chart of pO2 versus temperature and oxidization degree for Mn-Zn ferrites - . IEEE Trans. Mag., Mag. II, 1975, pp. 1312-1314.
-
(6) - LEBOURGEOIS (R.), GANNE (J.P.), PIGNARD (S.), GARRIN (P.),...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
-
Électronique de puissance. Introduction
-
Alimentations continues stabilisées
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Amplificateurs
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Antennes actives. Principes de conception
ANNEXES
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