Comment mesurer l’inductance d’un shunt de quelques micro-ohms ?
Introduction
Les shunts de mesure de courant sont généralement caractérisés par leur très faible résistance : quelques milliohms, centaines de micro-ohms, voire seulement quelques micro-ohms. À courant continu ou à basse fréquence, cette résistance est le paramètre essentiel. Mais dès que le courant varie rapidement, notamment dans les alimentations à découpage, les convertisseurs de puissance, les onduleurs ou les applications de forte puissance, un autre paramètre devient important : l’inductance du shunt.
Pour un shunt de quelques micro-ohms, cette inductance peut être extrêmement faible, souvent de l'ordre de quelques nanohenrys. Malgré cette faible valeur, elle peut générer une tension importante lors des variations rapides du courant.
La mesure de cette inductance est donc particulièrement intéressante lorsqu'un shunt doit être utilisé dans une application à fort courant et à commutation rapide.
Pourquoi mesurer l'inductance d'un shunt ?
Un shunt idéal ne devrait présenter qu'une résistance. Dans la réalité, tout conducteur possède également une inductance. Lorsqu'un courant traverse le shunt et varie rapidement, cette inductance provoque une tension supplémentaire aux bornes du composant. Cette tension vient s'ajouter à la tension normalement produite par la résistance du shunt. Le phénomène peut devenir particulièrement important avec les courants élevés.
Prenons l'exemple d'un shunt de 10 micro-ohms traversé par 100 A. En régime continu, la tension aux bornes du shunt n'est que d'environ 1 mV. Si le même courant apparaît très rapidement, en quelques microsecondes, l'inductance du shunt et de ses connexions peut générer une tension de plusieurs centaines de millivolts, voire davantage.
La tension mesurée par l'électronique ne représente alors plus uniquement le courant traversant le shunt.
Le principe de la mesure par réponse impulsionnelle
Une méthode particulièrement intéressante consiste à utiliser une réponse impulsionnelle.
Le principe est relativement simple : on fait circuler dans le shunt une impulsion de courant présentant un front très rapide, puis on observe simultanément le courant et la tension aux bornes du shunt avec un oscilloscope.
Le courant peut par exemple être généré en déchargeant un condensateur de puissance à travers un transistor de puissance.
Le transistor est commandé pendant une durée très courte afin de créer une montée rapide du courant.
L'oscilloscope permet alors d'observer la forme du courant et la tension générée par le shunt.
Un montage expérimental simple
Le montage peut être constitué d'un condensateur de puissance chargé à une tension définie, d'un MOSFET de puissance et du shunt à caractériser.
Lorsque le MOSFET est commandé, le condensateur fournit une impulsion de courant au travers du shunt.
Pour cette mesure, la vitesse de montée du courant est particulièrement importante.
Plus le courant varie rapidement, plus l'effet de l'inductance devient visible.
Un courant de quelques centaines d'ampères avec une montée en quelques microsecondes peut ainsi permettre de mettre en évidence une inductance de seulement quelques nanohenrys.
Mesurer le courant et la tension simultanément
L'oscilloscope doit disposer d'au moins deux voies de mesure.
La première permet de mesurer le courant traversant le shunt.
La seconde mesure la tension directement aux bornes du shunt.
La comparaison des deux signaux permet de distinguer la tension correspondant à la résistance du shunt de la tension supplémentaire apparaissant pendant la variation rapide du courant.
Il est important de disposer d'une bonne synchronisation entre les deux mesures.
Pour les mesures très rapides, le choix des sondes et leur raccordement deviennent également essentiels.
La connexion Kelvin est indispensable.
Lorsqu'il s'agit de mesurer un shunt de quelques micro-ohms, la connexion Kelvin est incontournable. Les connexions utilisées pour faire circuler le courant doivent être séparées des connexions utilisées pour mesurer la tension. La tension doit être mesurée directement sur les points électriques définissant le shunt. Cette précaution permet d'éviter que la résistance des câbles et des connexions ne soit intégrée dans la mesure.
Mais dans le cas d'une mesure d'inductance, il faut également tenir compte de leur inductance. Des fils longs, une boucle importante ou une mauvaise disposition mécanique peuvent ajouter plusieurs nanohenrys à la mesure.
Le principal problème : mesurer le montage plutôt que le shunt.
C'est probablement la principale difficulté de cette méthode.
Lorsque l'on cherche à mesurer quelques nanohenrys, l'inductance du shunt peut être du même ordre de grandeur que celle des connexions.
Le résultat obtenu par l'oscilloscope peut donc correspondre à l'ensemble suivant :
shunt + barres de cuivre + câbles + MOSFET + condensateur + connexions de mesure.
Il faut donc concevoir le montage de manière extrêmement compacte.
La boucle de courant doit être aussi petite que possible.
Les connexions doivent être courtes et larges, et les connexions de mesure doivent être positionnées directement sur le shunt.
Une mesure de référence particulièrement utile
Une bonne pratique consiste à réaliser une première mesure sans le shunt.
On peut remplacer le shunt par une pièce de cuivre massive présentant une résistance extrêmement faible.
Le même courant impulsionnel est alors appliqué exactement dans les mêmes conditions.
La tension observée correspond principalement aux effets parasites du montage.
Cette mesure de référence permet ensuite de comparer le comportement obtenu avec celui du véritable shunt. Elle permet notamment de vérifier que l'inductance recherchée n'est pas simplement celle du câblage. Cette étape est particulièrement importante lorsque l'on souhaite mesurer une inductance de quelques nanohenrys.
Le choix de l'oscilloscope
La bande passante de l'oscilloscope doit être suffisamment importante pour reproduire fidèlement le front de courant. Un oscilloscope relativement rapide, associé à des sondes adaptées, est généralement préférable à un appareil très haut de gamme utilisé avec des connexions inadaptées. La qualité de la connexion des sondes peut avoir plus d'influence sur le résultat que la résolution de l'oscilloscope lui-même. Les longues pinces de masse des sondes classiques sont notamment à éviter. Pour ce type de mesure, une sonde différentielle rapide ou une connexion coaxiale correctement réalisée est beaucoup plus adaptée.
Une méthode particulièrement intéressante pour les shunts de puissance
La mesure par réponse impulsionnelle présente un avantage important : elle permet de caractériser le shunt dans des conditions proches de son utilisation réelle.
Un shunt destiné à mesurer un courant de plusieurs centaines d'ampères dans un convertisseur de puissance ne sera pas nécessairement utilisé dans les mêmes conditions qu'un shunt destiné à une mesure de courant continu.
Avec une impulsion de courant rapide, il est possible d'observer directement le comportement du shunt lors d'une variation importante du courant.
Cela permet notamment de vérifier si la tension mesurée reste représentative du courant ou si une composante inductive importante apparaît.
Shunt faible résistance ne signifie pas forcément shunt faible inductance.
Une erreur fréquente consiste à considérer qu'un shunt de très faible résistance est automatiquement adapté aux mesures rapides.
Ce n'est pas nécessairement le cas.
Deux shunts présentant exactement la même résistance peuvent avoir des inductances très différentes.
La géométrie du shunt joue un rôle majeur.
Un shunt large et court aura généralement un comportement différent d'une résistance réalisée sous la forme d'une longue piste ou d'une barre étroite.
Les connexions et leur position peuvent également modifier fortement le résultat.
Pour les applications rapides, il est donc important de considérer simultanément :
la résistance du shunt ;
son inductance ;
sa géométrie ;
ses connexions ;
la manière dont la tension est prélevée.
Conclusion
La mesure de l'inductance d'un shunt de quelques micro-ohms est une opération délicate, mais parfaitement réalisable avec un montage expérimental adapté.
La méthode par réponse impulsionnelle consiste à appliquer une variation rapide du courant et à observer simultanément le courant et la tension aux bornes du shunt.
Elle permet de mettre en évidence des phénomènes qui restent invisibles lors d'une simple mesure en courant continu.
Pour obtenir une mesure fiable, la connexion Kelvin, la réduction des boucles de courant, la qualité des sondes et la caractérisation des inductances parasites du montage sont essentielles.
Pour les applications de forte puissance et de commutation rapide, la résistance seule ne suffit donc pas à caractériser un shunt. Son inductance et surtout son comportement dans son environnement réel doivent également être pris en compte.
Chez Sensilec, la connaissance de ces phénomènes permet de mieux orienter le choix d'un shunt en fonction de l'application, du courant à mesurer, de la précision recherchée et de la vitesse des variations du courant.
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