Induktive Bauelemente Kernverluste genauer bestimmen

Um die Kernverluste in induktiven Bauelementen von Schaltnetzteilen abzuschätzen, kann man diese entweder mit einem recht komplexen Aufbau messen oder mithilfe der Steinmetz-Gleichung berechnen. Die Ergebnisse sind bei Schaltnetzteilen aber häufig ziemlich ungenau. Das muss sich ändern.

von Ranjith Bramanpalli, Product Application Engineer bei Würth Elektronik eiSos.

Die Verluste in induktiven Bauelementen, also in Speicherdrosseln und Übertragern, teilen sich in Wicklungsverluste (auch Kupferverluste genannt) und in Kernverluste (auch Eisenverluste genannt) auf. Zwar ist die Bestimmung der Wicklungsverluste aufgrund des Einflusses von Skin- und Proximity-Effekt alles andere als trivial, aber richtig schwierig wird’s bei der Bestimmung der Kernverluste. Denn diese teilen sie wiederum in Hysterese- und Wirbelstromverluste auf.

Die B/H-Kennlinie des Kernmaterials (Bild 1) ist nichtlinear und zeigt eine Hysterese – daher auch die Bezeichnung Hysteresekurve. Der Energieverlust pro Schaltzyklus entspricht der Differenz zwischen der magnetischen Energie, die dem Kern während der Einschaltphase zugeführt wird, und derjenigen, die man während der Ausschaltphase dem Kern entnimmt. Diese Verluste entstehen durch die Elementarmagnete, die in der Ausschaltphase nicht von alleine in die Ausgangslage zurückfallen, sondern mit Energieaufwand zurückgestellt werden müssen. Dies ist der von der B/H-Kurve umschlossene Bereich (in Bild 1 rot gekennzeichnet) multipliziert mit dem Kernvolumen. Die Hystereseverluste entsprechen dem Produkt aus dieser Energie und der Schaltfrequenz, also wie häufig die Hysteresekurve pro Sekunde durchlaufen wird. Insofern besteht ein direkter Zusammenhang zwischen Hystereseverlusten und der Frequenz.

Die zweite Form der Kernverluste entsteht durch Wirbelströme, die ein zeitlich veränderlicher Fluss dΦ/dt im Kernmaterial induziert. Nach der Lenz‘schen Regel induziert ein Magnetfluss einen Strom, der seinerseits einen Magnetfluss bewirkt, der dem ursprünglichen Fluss entgegenwirkt. Dieser Wirbelstrom fließt durch das leitfähige Kernmaterial und erzeugt ohmsche Verluste (I²∙R).