Echauffement inductance sur BUCK

[Tonave72]

Bonjour à tous,

J'ai récupérer par un ami des barrettes de LED qui doivent être alimentées en 24V. Pour ce faire j'ai fouillé dans mon armoire et j'ai ressorti mon bon vieux convertisseur 230VAC/48VDC.... Comme j'aime bien me lancer dans des petits montages maison je me suis dis "aller banco je fais un convertisseur".

En ce moment je suis donc en train de me fabriquer un convertisseur 48V/24V à base de TPS54360 pour alimenter ces fameuses barettes de LED.

Le fonctionnement est correcte. Le soucis que j'ai c'est que mon inductance, SDR1806-680ML de bourns, chauffe.
Lorsque je tire ~1A sur le 24V de mon convertisseur pendant environ 1h, l'inductance monte en température jusqu'à devenir très chaude (~60°C/65°C). J'ai essayé avec une DO5040H-683MLB de Coilcraft et le problème est le même.
La fréquence de hachage est de 300kHz et, lorsque je tire 1A sur le 24V, le ripple en sortie est de 800mV.

Pour l'instant je suis en phase de proto sur une carte à "cheveux" donc je me dis que les conditions ne sont pas optimales. J'ai donc 2 questions :
- Est ce normal?
- Est ce que le fait de réaliser un typon pourrait y changer quelques chose? Si oui quelle(s) précotion(s) prendre lors du routage?
(Sachant que j'ai un ami qui peut me faire des cartes mais en deux couches pas plus, ce qui est déjà bien)

J'espère que vous pourrez me venir en aide car là je doute un peu

Merci à vous tous!
Bonne journée.
Tonave
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[gcortex]

çà ressemble à une saturation magnétique.
Le frabricant donne le courant efficace maxi ET le courant crète maxi

[invite03481543]

Non pas forcément, une inductance chauffe c'est normal, 65°C n'est rien de bien dramatique pour ce type de composant.
Il faut regarder la doc de la self et juste vérifier qu'elle correspond à l'utilisation qui en est faite.
Puis prendre un scope et visualiser l'allure des signaux pour s'assurer que tout est en ordre.

[invitef9ccb542]

Bonjour,

Il y a déjà facilement 100mW de perdu par effet joule.
Si le boitier est en l'air on peut s'attendre à 100 à 150°C/W.
Donc déjà 15°.

C'est facile à vérifier il suffit de faire passer un courant constant de 1A dedans et de voir l'élévation de température.


Evidemment les pertes magnétiques doivent être significatives, mais ce qui est bizarre dans ton cas c'est que les courants de saturation sont bien différents entre bourns (3.8A) et coilcraft (7.8A)...
Il serait intéressant de faire une simul LTSpice avec ce type de composant en prenant n'importe quel régulateur BUCK et de vérifier les courant dedans, et dans quelle mesure on atteint le courant de sat.

Pour calculer les pertes par saturation je n'ai rien trouvé d'autre que des données chez Wurth pour les type WE-PD (ils donnent les pertes en fonction du Irms).

[A voir en vidéo sur Futura]

[Tonave72]

Bonjour à tous et merci de vos réponses très rapides.

Dans un premier temps, et comme l'a souligné jlcms, en effet je suis très très loin des courants de saturation des deux inductances que j'ai pu essayer.

Hulk28, au niveau des utilisations des inductances, elles sont spécialement prévues pour les "Input/Output for DCDC converter" d'où mon doute au niveau de la température. J'ai regardé tous les signaux et tout est tout à fait normal... A moins qu'il y est des signaux transitoires ultra rapides que je ne peux pas voir avec mon super oscillo réparé provenant d'une poubelle...

Jlcms je voudrai bien faire une simulation LTSpice mais je ne m'y connais pas du tout et je n'ai pas ce logiciel. Quant à la température que j'ai mesuré, car tu parles de "voir l'élévation de température", je l'ai faite avec un thermocouple donc pas très très précise car cela dépend énormément de l'endroit où je pose la sonde. Je vais tout de même essayer de mesurer l'évolution de la température en appliquant un courant constant mais ce que j'ai remarqué c'est qu'au bout d'une heure l'inductance est à ~60°C/ ~65°C et elle peut rester ainsi pendant trois ou quatre heures si le courant ne change pas.

Merci en tout cas de vos réponses je pense que je ne devrais pas m'inquiéter plus que ça mais c'est la première fois que j'observe ce phénomène de façon aussi flagrante. Il vaut mieux se renseigner que de rester dans l'ignorance.

Encore merci.

Tonave

[Tropique]

Le problème ici, c'est le balayage en tension important: 48V carré à 300KHz, et ce genre de self est intermédiaire entre une self de choc et une vraie inductance de stockage.
L'entrefer est externe et important, ce qui cause un champ de dispersion élevé, et donc des pertes par courants de Foucault dans la masse du fil.

De plus, les ferrites utilisées dans ces composants sont optimisées pour une bonne résistance mécanique, aux chocs thermiques, et pour avoir une résistance DC élevée, tout ça dans le but de faciliter la fabrication. Mais par contre, les performances magnétiques ne sont absolument pas comparables à une vraie ferrite MnZn pour applications de puissance, genre 3F35 ou similaire.

Pour des convertisseurs genre 5V-->3.3V ou 12V-->5V, ce n'est pas trop grave, c'est deux ou trois points de rendement, par contre à 48V ça commence à chiffrer.
Les specs sur les pertes sont d'ailleurs plus que sommaires: il y a juste le Q, c'est selon toute vraisemblance une valeur en petits signaux. A niveau élevé, les pertes par hystérésis viennent s'ajouter.
Il est possible d'obtenir beaucoup mieux en faisant une self à partir de noyaux ferrite adaptés, ETD, U, RM ou autre, la forme importe peu, mais dans un matériau correct, et avec un entrefer calculé pour l'application. Le bobinage doit de préférence être fait en fil divisé, mais même avec du fil plein, ce sera déjà beaucoup meilleur que cette self.

[invitef9ccb542]

Bonjour,

J'ai fait une simul LTSpice avec un LT3980 et les éléments suivants:
- inductance de 68µ Rserie=100mOhms
- entrée 48V sortie sur 24V (536K/18.2K en réseau de feedback)
- charge de 24 ohms donc un courant de 1A
- capa de sortie de 47µF 5mOhm (ceramiques)

Le courant dans l'inductance oscille de 0.7A à 1.3A, le courant RMS est de 1A.
Donc par rapport au datasheet je ne vois pas trop de saturation, cela dit j'ai été voir la doc de l'équivalent chez Wurth:
http://katalog.we-online.de/pbs/datasheet/74456168.pdf
La saturation est à 3,6A et je pense à vue de nez qu'il doit y avoir 150mW de perte avec cet effet.

Concernant l'échauffement Wurth indique 40° d'augmentation de température lorsque l'on fait passer un courant de 2,3A dedans, donc c'est assez homogène avec ce que tu observes.


Si tu veux éliminer cet échauffement il faut passer à un modèle supérieur en taille.
Sinon l'alternative est d'augmenter la fréquence de hachage et de diminuer l'inductance. Ceci aura pour effet dans un même boitier d'inductance de diminuer la résistance série et donc les pertes par effet joule. De la même manière le courant de saturation se situera à une valeur plus élevée donc les pertes afférentes vont elles aussi diminuer.
Attention les pertes par commutations, vont elles augmenter.
A toi de trouver le point de fonctionnement optimal compte tenu de la place dont tu peux disposer pour caser ton inductance.

[invitef9ccb542]

Tropique a raison, ce sont en gros des selfs de filtrage

Prends plutôt un truc comme ça:
http://katalog.we-online.de/pbs/data...7447709680.pdf

[Biname]

Ne pas négliger non plus la puissance des harmoniques d'un signal carré !
Selon Wiki : https://fr.wikipedia.org/wiki/Signal_carr%C3%A9


11% de l'énergie dans f0 x 3 (0.9 MHz) et 4% dans f0 x 5 (1.5MHz)

Si j'ai bien compris ?

[Tropique]

11% de l'énergie dans f0 x 3 (0.9 MHz) et 4% dans f0 x 5 (1.5MHz)

Si j'ai bien compris ?

Exact, et la contribution de ces harmoniques aux pertes est disproportionnée, parce que les pertes en question augmentent au minimum proportionnellement à la fréquence, et souvent à une puissance >1.

[Tonave72]

Bonjour à tous et merci pour l'engouement que suscite le projet.

Alors j'ai essayé de suivre ce que vous disiez dans vos messages et j'avoue que je ne comprends pas tout surtout le message de Tropique...

En conclusion, ce que j'ai retenu, c'est soit je touche à ma fréquence de hachage et à ce moment là je retouche également à l'inductance mais avec mon type d'inductance que je vous ai cité en #1 ça peut passer ou alors je change l'inductance et j'en mets une plus adaptée...

Par contre, jlcms, je ne vois pas en quoi l'inductance que tu me proposes rejoint les propos de Tropique à savoir : "self à partir de noyaux ferrite adaptés, ETD, U, RM"... Peux tu me dire où se trouve l'info dans la datasheet stp? Je ne comprends pas tout mais je cherche à comprendre et j'ai beau chercher partout dans la datasheet je ne trouve pas l'info.

Merci à vous tous, encore une fois!!
Tonave

[Tropique]

Par contre, jlcms, je ne vois pas en quoi l'inductance que tu me proposes rejoint les propos de Tropique à savoir : "self à partir de noyaux ferrite adaptés, ETD, U, RM"...

C'est un moyen terme: les noyaux de ferrite dont je parle sont vendus nus, il faut faire le bobinage soi-même.
Le composant proposé est standard, mais au moins il n'a pas un circuit magnétique ouvert, ce qui va déjà améliorer certaines des caractéristiques (sans arriver au niveau "custom")

[Tonave72]

Ok très bien merci Tropique.

J'ai une dernière question, que se passe t'il si je dépasse le courant de saturation?
La self est "morte"?

Merci!
Tonave

[gcortex]

si tu dépasses la saturation, il n'y a plus d'effet de self donc le courant part à l'infini

[Tonave72]

D'accord très bien message reçu!

Merci à tous!
Tonave

[Tropique]

Ok très bien merci Tropique.

J'ai une dernière question, que se passe t'il si je dépasse le courant de saturation?
La self est "morte"?

Non, absolument pas: le matériau perd ses propriétés magnétiques, mais ça ne se produit pas de manière abrupte et c'est réversible*.
Dans le cas d'un tore, l'effet peut être très brutal, parce qu'il n'y a aucun entrefer et que la section est partout homogène, mais pour ta self, les lignes de champ font ~1/3 de leur trajet dans l'air, ce qui veut dire que même en cas de saturation extrême, il restera toujours ~1/3 de l'inductance initiale.
D'autre part, cette géométrie est très loin d'avoir une section homogène: le cylindre central va saturer en premier, et ensuite les flasques vont se saturer progressivement, en commençant par le centre et en finissant par la périphérie. C'est donc très progressif. Tout à l'heure, j'essayerai de poster des exemples de courbes de courant vs volt*seconde pour des géométries typiques.

*Ce n'est pas 100% vrai, certaines ferrites, essentiellement du groupe 4 peuvent perdre leurs propriétés pour des valeurs très élevées d'aimantation. C'est normalement impossible à atteindre dans un circuit normal, les éléments actifs claquent bien avant, mais parfois si la self a subi une décharge de condensateur, suite à un court-circuit p.ex., ou un coup de foudre, il se peut que la ferrite soit définitivement HS

[Tropique]

Voici quelques exemples:

VSlineup.jpg

-Un tore, donc magnétiquement complètement fermé et homogène
-Une self avec entrefer, partiellement fermée, comme celle que te propose Jlcms
-Une self "drum", comparable à la tienne mais en traversant au lieu de SMD
-Une self axiale, sur un bâtonnet de ferrite, donc 50% ouvert.

Elles ont toutes une valeur nominale de 15µH, excepté le tore qui en raison de l'absence d'entrefer a une valeur beaucoup plus élevée que les autres, 1.2mH.
L'échelle des graphiques est adaptée en conséquence, mais ce qui compte est l'allure.

Pour le tore, l'échelle verticale est de 200mA/div et l'horizontale de 20V*µs/div: on voit qu'à 120V*µs, les choses se gâtent sérieusement, pour un courant ridicule:
VS1200u.jpg

Pour la SMD, l'échelle Y est de 2A/div, X de 10V*µs/div: on voit très clairement deux pentes distinctes, la plus faible, jusqu'à ~5A et 65V*µs correspond à la self de 15µH, au dessus la pente correspond à la self à air équivalente: le noyau a "disparu":
VSsmd.jpg

La self "drum" a un comportement comparable, mais en beaucoup plus progressif: on ne distingue plus aussi nettement deux pentes distinctes, la section est inhomogène:
VSdrum.jpg

Enfin, la self axiale ne montre aucun symptôme de saturation. Noter que l'échelle horizontale est doublée par rapport aux deux précédentes:
VSaxial.jpg

[invitef9ccb542]

Bonsoir Tropique,

Je suis curieux de savoir comment tu réalises ta manip:
- pour mesurer le courant je suppose que tu mets une résistance en série avec l'inductance.
- comment mesures-tu le V/t ou le dV/dt, sur l'axe X?
- quel géné utilises-tu? j'imagine qu'il faut envoyer de la puissance pour atteindre quelque ampère...
- l'oscillo est en Lissajous?

[Tropique]

En fait, c'est produit par un analyseur de pertes d'inductances que j'ai développé moi-même, et qui a accessoirement des sorties auxiliaires de visualisation de ces signaux.
Le principe est d'appliquer un créneau de tension calibré en temps et en amplitude à la self testée, et de mesurer le courant résultant.
L'oscillo est en mode normal, déclenché éventuellement par un trigger auxiliaire

[Biname]

Exact, et la contribution de ces harmoniques aux pertes est disproportionnée, parce que les pertes en question augmentent au minimum proportionnellement à la fréquence, et souvent à une puissance >1.

Exact ? Non, j'ai 120% au total . Ce serait donc plutôt, f3(0.9MHz):~9%, f5(1.5MHz):~3% et poussons jusqu'à f7(2.1MHz):~1.5%

Et merci de compléter mon message. Il fallait en effet ajouter que les pertes ?magnétiques? augmentent avec la fréquence et sont fonction du matériau dont est fait le noyau et que donc une évaluation de la puissance des harmoniques de la fondamentale d'un signal carré permet de mieux apprécier les pertes magnétiques dans un noyau. Est-ce plus clair ? Qui a vu voira .

[invitef9ccb542]

Bonjour Tropique,

OK.
Si je comprends bien et si je reprends le test de l'inductance SMD de 15µH, voici ce que tu fait:
- tu prends un géné de tension réglé sur 10V.
- tu commutes cette tension avec un gros MOSFET.
- la commande de ce MOSFET est pilotée par un géné d'impulsion réglé sur 7.5µs de largeur de créneau.
- tu places dans le circuit une résistance de 100mOhms,
- tu connecte la voie de ton oscillo sur la résistance de 100mOhms te donnant le courant avec 10A/V.
- tu dois peut-être avoir un dispositif qui démagnétise la bobine, ou alors avoir une période de créneau suffisamment longue.

J'ai raté quelque chose?

[gcortex]

C'est ici qu'on voit la magie d'un entrefer !

[invite03481543]

En ce moment je suis donc en train de me fabriquer un convertisseur 48V/24V à base de TPS54360 pour alimenter ces fameuses barettes de LED.

Le fonctionnement est correcte. Le soucis que j'ai c'est que mon inductance, SDR1806-680ML de bourns, chauffe.
Lorsque je tire ~1A sur le 24V de mon convertisseur pendant environ 1h, l'inductance monte en température jusqu'à devenir très chaude (~60°C/65°C). J'ai essayé avec une DO5040H-683MLB de Coilcraft et le problème est le même.

Pour en revenir à ton sujet avant de partir tout azimuth dans des considérations peu pratiques pour toi, sache juste qu'une self qui chauffe à environ 60°C n'est pas forcément un critère de dysfonctionnement.
Dés l'instant que tu utilises une self prévue et référencée pour une appli DC/DC, comme il y en a de plus en plus maintenant, il te suffit de regarder à l'oscillo l'allure du courant qui circule dans celle-ci.

Tant que ce courant est linéaire et en dents de scie bien rectiligne c'est que ta self fait le job et qu'il n'y a pas saturation.
Il faut que la densité de courant qui traverse le fil du bobinage ne soit pas prohibitif, tenir compte de l'effet de peau, etc, bref tout un tas de considérations que te prémâche le constructeur de ta bobine en te conseillant une référence pratique.
Les causes de l'échauffement importent peu ici, elles sont variables d'une marque de self à l'autre, le tout est de bien avoir conscience qu'il n'y a rien d'inquiétant du tout à 60°c, dans ce composant se trouve traditionnellement la majorité des pertes d'un DC/DC.
@+

[Tropique]

J'ai raté quelque chose?

Non, en substance c'est ça.

[Tonave72]

Bonjour à tous,

Merci pour vos conseils j'en retiens donc qu'il n'y a rien d'alarmant...
Bon WE à vous tous!
A+
Tonave