Comment mesurer avec précision la résistance continue (DCR) d’une bobine

À mesure que les exigences en matière de DCR (résistance continue) pour les convertisseurs continu-continu haute performance et les modules d’alimentation dédiés à l’intelligence artificielle continuent de diminuer jusqu’à atteindre le niveau du milliohm, voire du microohm, la méthode traditionnelle à deux fils introduit des erreurs trop importantes, rendant nécessaire l’adoption d’une méthode de mesure à quatre fils (méthode Kelvin). De nombreux ingénieurs considèrent que la mesure du DCR est simple et pensent qu’elle peut être réalisée simplement en pinçant le composant avec les pointes de test d’un multimètre ou d’un analyseur LCR. Toutefois, dans la pratique industrielle, des problèmes surviennent fréquemment, tels que : des valeurs mesurées incohérentes sur plusieurs instruments pour une même bobine, des fluctuations des données dues à une pression variable exercée sur les pointes de test, et des valeurs mesurées fortement surestimées pour les bobines à faible inductance. Examinons ci-dessous les causes sous-jacentes.

1- Comprendre l’essence de la résistance en courant continu (DCR) d’un inducteur et les difficultés liées à sa mesure

La résistance en courant continu (DCR) d’une bobine désigne la composante purement résistive présentée par l’enroulement de la bobine sous excitation en courant continu, qui provient de la résistance intrinsèque du fil de cuivre utilisé pour réaliser cet enroulement. Ce paramètre détermine directement le rendement de conversion de puissance, la dissipation thermique et la fiabilité à long terme du système électrique.

La principale difficulté technique liée à la mesure précise de la DCR réside dans le fait que la DCR des enroulements de bobines courants se situe généralement entre quelques milliohms et plusieurs centaines de milliohms. Lorsque la résistance à mesurer tombe au niveau du milliohm, la résistance des câbles de test eux-mêmes (typiquement de 0,1 Ω à 0,5 Ω) et la résistance de contact des sondes (quelques milliohms à plusieurs dizaines de milliohms) dans la méthode traditionnelle de mesure à deux fils sont déjà du même ordre de grandeur que la résistance à mesurer. Par conséquent, la valeur mesurée s’écarte fortement de la valeur réelle.

2- Méthode Kelvin à quatre fils : la solution fondamentale pour éliminer les erreurs dues aux câbles

La solution standard pour la mesure de faibles résistances est la connexion Kelvin à quatre fils. Cette technique a été inventée par Lord William Thomson Kelvin en 1861 et demeure encore aujourd’hui la méthode de référence pour les mesures précises de faibles résistances.

2.1 Pourquoi la méthode à deux fils est inapplicable

Dans une mesure courante à deux fils, la boucle d’excitation en courant et la boucle de détection de tension partagent la même paire de câbles. La valeur de résistance mesurée par le multimètre est la suivante :

R_mesurée = R_UUT + 2 × (R_câble + R_contact)

Où R_câble est la résistance d’un seul câble de test (généralement comprise entre quelques milliohms et plusieurs centaines de milliohms) et R_contact est la résistance de contact entre la sonde et le point de mesure (dans la même fourchette). Lorsque R_UUT ne représente que quelques milliohms, l’erreur introduite par les résistances des câbles et des contacts peut atteindre plusieurs dizaines de fois la valeur réelle.

2.2 Principe fondamental de la méthode Kelvin à quatre fils

La méthode Kelvin à quatre fils résout ce problème en séparant physiquement le chemin du courant de celui de la détection de tension. Les quatre fils sont divisés en deux paires, chacune remplissant une fonction distincte :

◾ Lignes de force (lignes d’excitation en courant, 2 fils) : Appliquer un courant continu (CC) constant et connu à l’inducteur à tester. Des chutes de tension peuvent exister dans cette boucle de courant, mais la résistance des câbles et la résistance de contact n’affectent pas la précision des résultats de mesure.

◾ Lignes de détection (lignes de mesure de tension, 2 fils) : Mesurer indépendamment la chute de tension réelle aux bornes de l’inducteur (et non aux bornes du support de test). Comme l’impédance d’entrée de la boucle de détection de tension est extrêmement élevée (les instruments de mesure modernes sont généralement > 1 GΩ), le courant circulant dans les lignes de détection tend vers zéro. Ainsi, la résistance des câbles et la résistance de contact ne provoquent aucune chute de tension significative sur les lignes de détection.

Selon la loi d’Ohm, la résistance continue (DCR) de l’inductance peut être calculée à l’aide de la formule suivante :

DCR = V_Sense / I_Force

V_Sense est la tension aux bornes de l’inductance mesurée directement par les lignes Sense, sans inclure aucune chute de tension dans les conducteurs de liaison ; I_Force est un courant constant connu. Le rapport entre ces deux grandeurs fournit la valeur réelle de la résistance continue, entièrement indépendante de toutes les résistances de contact et de conducteur présentes dans la boucle externe.

2.3 Précautions relatives à la mesure en quatre fils

◾ Indépendant CONTACT : Les quatre fils doivent entrer en contact séparément avec quatre points distincts sur les deux électrodes de l’inductance. Dans les supports réels, chaque électrode est mise en contact simultanément avec deux sondes (Force + Sense), mais celles-ci ne sont pas interconnectées à l’intérieur du support ; elles ne convergent qu’au niveau du point de contact.

◾ Propreté de la sonde : L’oxydation de la pastille ou les résidus de flux peuvent provoquer une résistance de contact instable. Bien que cela n’affecte pas les lignes de mesure (Sense), cela peut entraîner une instabilité dans la boucle de courant ou saturer la source de courant constant. Avant la mesure, nettoyez les pastilles à l’alcool anhydre ou essuyez-les délicatement avec une gomme.

3 - Vérification comparative des données de test

En prenant comme exemple l’inductance blindée pour applications d’intelligence artificielle provenant du site officiel de CODACA, le modèle CSHN100760-56NN a été sélectionné pour un test comparatif à l’aide de trois instruments courants disponibles sur le marché : un testeur de résistance continue, un multimètre et un pont LCR.

Figure 1. Caractéristiques électriques de l’inductance blindée CSHN100760-56NN

Figure 2. Testeur de résistance continue (méthode Kelvin à quatre fils) : zone de mesure de la Rcc

Figure 3. Multimètre (méthode à deux fils)

Figure 4. Pont LCR (essai avec support) : zone de mesure LCR

Comme illustré à la figure 1, la fiche technique du composant CSHN100760-56NN définit la résistance en continu (DCR) à 0,22 mΩ maximum. Le résultat de l’essai effectué à l’aide d’un testeur de résistance en continu (méthode Kelvin à quatre fils) est de 0,196 mΩ, ce qui satisfait aux exigences de la fiche technique ; le résultat de mesure réel est présenté à la figure 2. Lorsqu’on utilise un multimètre classique (méthode à deux fils), avec la plage réglée sur la plage de mesure de résistance de base de 200 Ω — offrant une résolution de 0,1 Ω — le résultat de l’essai est de 600 mΩ, ce qui ne satisfait pas aux exigences de la fiche technique, comme le montre la figure 3. Lorsqu’on utilise un pont RLC (essai avec support) réglé sur la plage DCR puis corrigé à zéro, le résultat de l’essai est de 0,387 mΩ : il se rapproche davantage de la valeur cible, mais ne satisfait toutefois pas aux exigences de la fiche technique.

Par conséquent, afin de garantir la précision des résultats d’essai, l’utilisation d’un testeur dédié de résistance en continu (méthode Kelvin à quatre fils) est privilégiée lors de la réalisation d’essais DCR sur des composants magnétiques tels que les inductances.