Leistungsübertrager Neues Ferritmaterial für noch höhere Wirkungsgrade

Mit neuen Ferritmaterialen lassen sich die Verluste von Leistungsübertragern in Schaltnetzteilen deutlich senken. Insbesondere im Leerlauf- und Teillastbetrieb. steigt dadurch die Effizienz der Stromversorgungen; mit der Folge, dass sich die Energieeinsparungen im Dauerbetrieb auf mehrere kWh pro Jahr pro Leistungsübertrager summieren.

Die Europäische Kommission hat Anfang April 2009 die Verordnung (EG) Nr. 278/2009 zum Stromverbrauch von Netzteilen erlassen. Das Ziel: 2010 sollen die meisten Strom fressenden ineffizienten Stromversorgungen vom europäischen Markt verschwinden. Die EU erhofft sich dadurch bis 2020 eine Senkung des Energiebedarfs um bis zu neun Terawattstunden.

Verluste entstehen in Stromversorgungen in den Ferritkernen und Wicklungen von Übertragern. Das Verhältnis zwischen Wicklungs- und Ferritkernverlusten wird als maximaler Wirkungsgrad bei voller Last definiert. Der Wirkungsgrad hängt vom Ferritmaterial, von Betriebstemperatur und -frequenz ab. Ein Leistungswandler wird so entwickelt, dass er bei einer festgelegten Betriebstemperatur optimal, d.h. mit maximalem Wirkungsgrad arbeitet. Da die Wicklungsverluste vom Quadrat des Stroms und somit der Last abhängen, verringern sich diese bei kleinen Lasten signifikant. Bei abnehmender Last sinken die Temperatur und der spezifische Widerstand der Wicklungen, was ebenfalls zu einer Reduzierung der Wicklungsverluste beiträgt. Die Verluste in den Leistungs-Ferriten dagegen steigen bei festgelegter Spannung und Frequenz mit sinkenden Temperaturen. Deshalb trägt der Ferritkern hauptsächlich zu den Verlusten des Leistungswandlers bei kleinen Lasten oder im Leerlauf bei.

Da das Ferritmaterial so ausgelegt ist, dass es minimale Verluste bei der Betriebstemperatur unter Volllast hat, müssen für einen verbesserten Wirkungsgrad bei Teillast die Kernverluste mit sinkender Temperatur unverändert bleiben.

Im Unterschied zu herkömmlichen Materialien ermöglicht das neue Leistungs-Ferritmaterial N95 diese Verbesserung des Wirkungsgrads und die daraus resultierenden Energieeinsparungen bei Teillast. Es zeichnet sich durch ein flaches Verlustminimum von 315 kW/m3 bei 100 kHz, 200 mT über einen weiten Temperaturbereich zwischen 60 °C und 100 °C aus. Ein weiterer Vorteil ist die hohe Flussdichte: Sie beträgt 525 mT bei 25 °C und 410 mT bei 100 °C. Erhältlich ist es in gängigen sowie kundenspezifischen Kernbauformen, die allesamt in Stromversorgungen zum Einsatz kommen.

 

N95 führt zu Einsparungen im Teillastbereich

Bild 1 fasst die Temperaturprofile von konventionellen Leistungs-Ferritmaterialien (N87, N97) und des Materials N95 mit extrem flacher Temperaturkurve zusammen. Es zeigt sich, dass N95 bis zu einer Temperatur von 90 °C mit deutlich besseren Verlustleistungswerten aufwarten kann als konventionelle Materialien wie N87 und N97, deren Verlustminima nahe bei 100 °C liegen. Dieses Verhalten ist typisch für Leistungs-Ferrite. Von den beiden Materialien hat N97 die geringeren Verluste, doch der Verlauf der Kurve ist dem von N87 ähnlich. Dem gegenüber ist die Verlustkurve des Materials N95 tiefer angesiedelt und verläuft über den breiten Temperaturbereich zwischen 25 und 100 °C verhältnismäßig flach.

Kernverlust, Wicklungsverlust und thermischer Widerstand

Die in Bild 1 gezeigten Kurven beziehen sich auf einen spezifischen Kernverlust mit einem sinusförmigen Fluss – gemessen an Ringkernen mit einem einheitlichen magnetischen Querschnitt. Diese Daten können für einen Leistungswandler, der eine spezielle Kernform mit einem nicht-sinusförmigen magnetischen Fluss hat, benutzt werden, um die tatsächlichen Verluste mit äquivalenten Frequenzen zu bestimmen. Das Modell basiert auf folgenden Vereinfachungen:

  • Die Frequenz und die Amplitude der Flussdichte bleiben konstant.
  • Die Ausgangsspannung bleibt bei Laständerung unverändert, der Ausgangsstrom verringert sich linear bei Teillasten.
  • Der Leistungswandler hat eine lineare Regelung über den gesamten Lastbereich von Leerlauf bis Volllast.
  • Das Tastverhältnis (duty cycle) ist variabel, um die Auswirkungen der Regelung zu kompensieren.
  • Der thermische Widerstand ist linear und bleibt bei Änderungen der Umgebungstemperatur konstant.

 

Bild 2 zeigt die Kernverluste Pcfl, die Windungsverluste Pwfl und den Gesamtverlust Ptfl (Summe aus Pcfl und Pwfl) bei Volllast sowie unter den Bedingungen eines maximalen Wirkungsgrads für einen typischen Übertrager mit Leistungs-Ferrit. Für eine Umgebungstemperatur von 50 °C (Tamb1) und einer Betriebstemperatur von 100 °C bei Volllast sind sowohl der Betriebspunkt P1 als auch der thermische Widerstand Rth1 festgelegt. Bei einem Wechsel zu einer niedrigeren Umgebungstemperatur von 30 °C (Tamb2) bleibt die Neigung des Verlaufs des thermischen Widerstands unverändert, aber der Betriebspunkt verschiebt sich nach P2. In diesem Fall beeinflusst der Übergang auf eine kühlere Umgebung die Verluste im Übertrager praktisch nicht.