L’effet de peau dans les shunts de mesure de courant
Lorsqu’un shunt de mesure est utilisé pour mesurer un courant continu ou alternatif, sa résistance électrique semble, à première vue, être une caractéristique parfaitement définie.
Pourtant, dès que la fréquence augmente, le courant ne se répartit plus uniformément dans toute la section du conducteur. Il tend à se concentrer vers sa périphérie.
Ce phénomène, appelé effet de peau (skin effect), peut modifier l’impédance du shunt et introduire une erreur dans la mesure du courant.
Pour les mesures de précision, notamment avec des shunts de quelques micro-ohms ou de quelques milliohms, ce phénomène mérite d’être pris en compte.
Qu’est-ce que l’effet de peau ?
En courant continu, la densité de courant est relativement uniforme dans la section d’un conducteur. Lorsque la fréquence d’un courant alternatif augmente, le champ magnétique variable créé par le courant génère des courants induits à l’intérieur même du conducteur.
Ces phénomènes électromagnétiques s’opposent à la variation du courant et ont pour conséquence de repousser progressivement le courant vers la surface du conducteur.
Le courant n'utilise donc plus toute la section disponible de manière homogène.
On parle alors d’effet de peau.
À basse fréquence, la répartition reste pratiquement uniforme.
À fréquence plus élevée, la densité de courant devient beaucoup plus importante près de la surface.
La profondeur de peau
Pour caractériser l’effet de peau, on utilise la notion de profondeur de peau, généralement notée δ.
Elle correspond à la profondeur à laquelle la densité de courant a diminué à environ 37%
Pour le cuivre, par exemple, la profondeur de peau diminue lorsque la fréquence augmente.
À titre indicatif :
Fréquence | Profondeur de peau du cuivre |
50 Hz | ≈ 9,3 mm |
1 kHz | ≈ 2,1 mm |
10 kHz | ≈ 0,66 mm |
100 kHz | ≈ 0,21 mm |
1 MHz | ≈ 0,066 mm |
Ces valeurs montrent pourquoi l’effet de peau peut devenir significatif dans un conducteur relativement épais dès que la fréquence augmente.
Pourquoi cela concerne-t-il directement les shunts ?
Un shunt est essentiellement une résistance de très faible valeur placée en série avec le courant à mesurer.
En courant continu, on peut considérer la résistance comme relativement stable.
En alternatif, le comportement réel du shunt est plus complexe.
La résistance apparente peut augmenter avec la fréquence en raison notamment de l'effet de peau.
Le shunt n'est donc plus simplement une résistance idéale.
Il devient un composant électromagnétique dont l'impédance dépend de la fréquence.
L'effet de peau n'est pas le seul phénomène à prendre en compte
Dans un shunt de précision, plusieurs phénomènes peuvent modifier la mesure en alternatif.
Effet de peau : Le courant se concentre vers la surface du conducteur.
Effet de proximité : Les champs magnétiques produits par des conducteurs voisins modifient également la répartition du courant.
Inductance parasite : Le shunt possède toujours une certaine inductance.
Même quelques nanohenrys peuvent devenir significatifs lorsque la fréquence augmente.
Effets thermiques : provoque un échauffement qui modifie la résistance.
Dans un shunt de précision, la stabilité thermique est donc également essentielle.
Effet de peau et géométrie du shunt
La géométrie joue un rôle déterminant.
Deux shunts possédant exactement la même résistance DC peuvent présenter des comportements très différents en alternatif.
Un conducteur massif et épais peut être davantage affecté par l'effet de peau qu'un conducteur présentant une géométrie adaptée à la haute fréquence.
La longueur, la largeur, l'épaisseur et la forme des connexions doivent donc être prises en compte.
Pour les shunts de précision, on cherche généralement à obtenir une géométrie permettant :
une faible inductance parasite
une répartition homogène du courant
une faible sensibilité aux effets de proximité
une bonne stabilité thermique
une tension de mesure facilement exploitable
Pourquoi la technologie Kelvin est importante
La mesure d'un shunt de faible valeur doit généralement être réalisée en connexion Kelvin, également appelée mesure 4 fils.
Deux connexions transportent le courant
Deux autres connexions mesurent uniquement la tension
Cette architecture permet de limiter fortement l'influence de la résistance des connexions de puissance. Mais elle ne supprime pas automatiquement les effets inductifs.
À haute fréquence, la position physique des connexions de mesure devient elle aussi extrêmement importante.
Un point souvent oublié : l'inductance du shunt
Pour un shunt utilisé en courant continu, quelques nanohenrys peuvent sembler négligeables.
À haute fréquence, ce n'est plus nécessairement le cas.
l'inductance parasite peut devenir beaucoup plus importante que la résistance elle-même. Il devient alors plus pertinent de parler de l'impédance du shunt plutôt que simplement de sa résistance.
Un shunt peut donc être précis en DC et moins précis en AC
C'est une distinction importante. Un shunt peut parfaitement être caractérisé avec une résistance de : 10,000 µΩ à 0 Hz
tout en présentant une impédance différente à : 1 kHz ; 10 kHz ; 100 kHz
La spécification : Résistance : 10 µΩ ±0,1 % ne signifie donc pas nécessairement Impédance : 10 µΩ ±0,1 % jusqu'à plusieurs centaines de kHz.
Pour une utilisation en courant alternatif, il est donc nécessaire de connaître les conditions dans lesquelles la précision a été spécifiée.
Comment limiter l'effet de peau ?
Plusieurs solutions peuvent être utilisées.
Adapter la géométrie
Une géométrie appropriée permet de réduire les effets liés à la concentration du courant.
Réduire l'inductance
Les connexions doivent être courtes et présenter une surface de boucle minimale.
C'est particulièrement important pour les mesures rapides et les courants pulsés.
Utiliser une construction adaptée à la fréquence
Pour certaines applications haute fréquence, des technologies particulières peuvent être utilisées afin de limiter les effets liés à la répartition du courant.
Soigner les connexions Kelvin
Les points de mesure doivent être placés de manière symétrique et reproductible.
Caractériser le shunt dans les conditions réelles
Pour une mesure de précision, il est préférable de caractériser le shunt sur la plage de fréquence réellement utilisée.
Courant continu, 50 Hz, courant pulsé
trois problématiques différentes
Il est important de distinguer plusieurs applications.
Mesure DC
L'effet de peau est absent en régime continu.
La résistance DC, la stabilité thermique et les connexions Kelvin sont les paramètres principaux.
Mesure 50/60 Hz
L'effet de peau est généralement beaucoup moins problématique pour les petits conducteurs, mais l'inductance parasite et la géométrie peuvent néanmoins influencer une mesure de très haute précision.
Courants pulsés et convertisseurs de puissance
La situation est différente.
Un courant provenant d'un convertisseur de puissance peut contenir des composantes à plusieurs kHz, voire beaucoup plus hautes.
Le shunt doit alors être considéré comme un composant présentant une impédance dépendante de la fréquence.
C'est particulièrement important avec :
les convertisseurs DC/DC
les onduleurs
les alimentations à découpage
les systèmes SiC
les systèmes GaN
les bancs de puissance
les mesures de courant impulsionnel.
Comment mesurer réellement le comportement d'un shunt ?
Une mesure de résistance avec un multimètre ou un micro-ohmmètre permet essentiellement de caractériser la résistance en courant continu.
Pour caractériser le comportement en fréquence, il faut aller plus loin.
On peut notamment utiliser :
un analyseur d'impédance ;
un analyseur de réseau ;
un générateur de courant ou de tension ;
un oscilloscope ;
une méthode temporelle par injection d'un échelon ou d'une impulsion.
La méthode temporelle est particulièrement intéressante lorsqu'on souhaite caractériser simultanément la résistance et les éléments parasites du shunt.
Pour un shunt de quelques micro-ohms, il faut toutefois porter une attention particulière aux connexions, aux résistances de contact, à la bande passante et aux boucles de masse.
Effet de peau : attention à ne pas tout lui attribuer
Lorsqu'une erreur apparaît sur une mesure de courant alternatif, il est tentant de l'attribuer immédiatement à l'effet de peau.
Ce n'est pas toujours le cas.
Dans de nombreux montages, l'erreur observée provient principalement de :
l'inductance des connexions
l'inductance du shunt
l'effet de proximité
la position des prises Kelvin
la résistance des contacts
la bande passante de l'instrument
la dynamique du courant
les courants de mode commun
Pour un shunt de très faible valeur, l'inductance parasite peut être un problème plus important que l'effet de peau lui-même.
Une analyse correcte doit donc considérer l'ensemble de l'impédance du système.
À retenir
L'effet de peau est un phénomène électromagnétique qui modifie la répartition du courant dans un conducteur lorsque la fréquence augmente.
Dans un shunt de mesure, il peut contribuer à modifier l'impédance du composant et donc la relation entre le courant et la tension mesurée.
Cependant, pour les shunts de très faible résistance, il est essentiel de considérer simultanément : Effet de peau + effet de proximité + inductance parasite + thermique + implantation + mesure Kelvin.
Plus la résistance du shunt diminue et plus la précision recherchée augmente, plus ces phénomènes deviennent importants. Pour une mesure de courant en continu, la résistance DC reste généralement le paramètre principal. Pour une mesure de courant alternatif ou impulsionnel, il devient nécessaire de considérer le shunt comme une impédance dépendante de la fréquence.
Conclusion
Un shunt de mesure n'est pas une résistance idéale.
À basse fréquence, cette approximation fonctionne généralement très bien. Mais lorsque les fréquences augmentent, la distribution du courant dans le conducteur évolue et les éléments parasites du shunt deviennent progressivement prépondérants.
L'effet de peau est donc un paramètre à prendre en compte, mais il doit être étudié avec les autres phénomènes électromagnétiques.
Pour les applications de mesure de précision, la conception mécanique du shunt, la technologie de connexion Kelvin et la caractérisation de son impédance en fonction de la fréquence sont aussi importantes que sa valeur de résistance nominale.
Chez Sensilec, l'analyse de l'application — courant, fréquence, précision, environnement et technologie de mesure — permet de sélectionner ou de définir une solution de shunt adaptée aux contraintes réelles du système.
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