Minimierung von Trafo-Verlusten, Teil 2 Entwickler von Sperrwandlern – aufgepasst!

Entwickler stehen häufig vor der Aufgabe, für ihre Applikation eine Sperrwandlerschaltung entwickeln zu müssen. Im 1. Teil ging es um Auswahlkriterien für den «richtigen» Transformator. Im Folgenden nun stehen »Kernverluste« sowie wichtige Formeln für die Berechnungen des Trafos im Vordergrund.

Im ersten Teil des Beitrags ging es im Wesentlichen um grundlegende Überlegungen, wodurch Verluste im Transformator eines Sperrwandlers entstehen; abegrundet werden diese Betrachtungen jetzt durch den Aspekt »Kernverluste«, der nicht unterschätzt werden darf. Denn es ist, um den Trafo-Kern umzumagnetisieren, nun einmal Energie erforderlich. Außerdem lässt sich nicht die gesamte Energie in elektrischer Form zurückgewinnen, da ein Teil als Wärme verloren geht. Diese Leistungsverluste können elektrisch als die Hysterese der B-H-Kennlinie dargestellt werden. Diese Verluste sind im Allgemeinen proportional zur Änderung der Flussdichte (ΔB) und dem Quadrat der Schaltfrequenz (Fschalt²).

Wer sich mit magnetischen Komponenten beschäftigen muss, weiß zudem, dass stets ein Kompromiss zwischen der Sättigungsflussdichte und den Kernverlusten gefunden werden muss. Wählt man für den Kern Werkstoffe mit hoher Flussdichte im Betrieb, so kann mit geringeren Abmessungen, Gewicht und Kosten gerechnt werden. Kerne aus Siliziumstahl beispielsweise erreichen typische Sättigungsflussdichten von 1,5 bis 2 T. Auf der anderen Seiten weisen solche Kernwerkstoffe aber auch hohe Kernverluste auf.

Entscheidet sich der Entwickler für Ferrite, so stehen ihm damit keramische Werkstoffe mit niedrigen Sättigungsflussdichten im Bereich von 0,25 bis 0,5 T zur Verfügung. Wegen ihres hohen elektrischen Widerstands sind ihre Kernverluste aber auch gering. Als Werkstoff für Ferritkerne in Flyback-Transformatoren werden unter anderem 3C90 von Ferroxcube und »R« von Magnetics eingesetzt (siehe Bild).