Passive Bauelemente Magnetics für GaN und SiC

Kernbauformen, Luftspaltdesign, Wicklungsaufbau

Beim Thema Entwärmung geht es auch um Kernbauformen. Gibt es in dieser Hinsicht neue Trends bei hohen Schaltfrequenzen?

Oliver Opitz: Ich glaube, dass es auch bei GaN und SiC keine Standardbauform für alle Anwendungen geben wird, sondern dass die Anwendung die Bauform vorgeben wird. Das bedeutet im Consumerbereich eben möglichst flach, im Industriebereich geht es dann vor allem darum, die Wärme aus dem Bauteil rauszukriegen.

Dr. Jörn Schliewe: Die verschiedenen Bauformen sind physikalisch gesehen in erster Näherung eher gleich als unterschiedlich, weswegen sich die Bauform eher aus dem Produktionsprozess beim Kunden ganz natürlich ergeben wird. Bei höheren Frequenzen geht es dann wieder eher in Richtung Luftspaltmanagement, sodass dort dann doch die Bauform eine Rolle spielen wird.

Viele Wandlertopologien haben einen Kern mit Luftspalt. Muss sich an der Geometrie des Luftspalts etwas ändern? Auf der diesjährigen APEC wurde eine Drossel für einen PoL-Wandler gezeigt, dessen Verluste sich bei zehn Prozent Last durch einen zweidimensionalen Luftspalt halbierten (Ting Ge et al.: »Point-of-Load Inductor with High Swinging and Low Loss at Light Load«, APEC 2016 pp. 668).

Oliver Opitz: Wir haben, wie bestimmt unsere Mitbewerber auch, eine Menge Tests durchlaufen, um die perfekte Kernbauform zu finden. Bei Ferriten kommen wir sowieso nicht ohne Luftspalt aus. Es wird aus meiner Sicht immer bei irgendwelchen E-Kernen und ihren Varianten wie ETD, EFD oder ähnlich bleiben.

Dr. Jörn Schliewe: Geht es um sehr hohe Effizienzen und sehr hohe Frequenzen, dann ist ein verteilter oder ein quasi-verteilter Luftspalt besser. Bei Ferrit bedeutet das mehrere kleinere Luftspalte im magnetischen Kreis. So lassen sich die Streufelder verkleinern, aber das geht einher mit einem höheren fertigungstechnischen Aufwand wegen der mehreren Ferritteile, aus denen der Kern besteht. Der klassische Luftspalt wird auch weiterhin seine Berechtigung haben bei hohen Leistungen und eher niedrigeren Frequenzen, vielleicht aber auch da, wo ein bisschen mehr Platz ist und man mit der Wicklung etwas vom Kern weg kann.

Neben dem Kernmaterial ist auch die Wicklung von entscheidender Bedeutung. Und durch die steigenden Schaltfrequenzen steigt auch der Einfluss des Skin- und des Proximity-Effekts. Kann man da irgendwo beim Wickelgut oder beim Aufbau der Wicklung den Hebel ansetzen? Passende Stichwörter wären vielleicht Planartrafo und HF-Litze.

Oliver Opitz: Eine Option wäre, ein ganz anderes Wicklungsmaterial zu nutzen, also weg vom Kupfer. Aber das ist immer eine Frage der Kosten. Ansonsten bei den klassischen Wickelgütern bieten wir sowohl Rund- als auch Flachdraht an. Bei Runddraht teilt es sich dann nochmal auf in einen einzelnen Draht sowie bifilar und trifilar. Aber da geht es dann schon in Richtung HF-Litze. Und dann wird’s wieder eine Frage der Kosten.

Ich sehe im Moment keine Möglichkeiten, am Wickelaufbau etwas signifikant zu verbessern. Die letzten 70 oder 80 Jahre haben die Trafobauer schon alle möglichen Wickelaufbauten durchprobiert und getestet. Es geht eher um das Thema: Kann ich den Draht sehr nahe an den Kern bringen, um einen möglichst hohen Kupferfüllfaktor zu erreichen?

Dr. Jörn Schliewe: Der alte Stand der Technik war Runddraht, der neue Stand der Technik ist Flachdraht. Das wird auch noch einige Zeit so bleiben, weil Flachdraht für hohe Frequenzen gut geeignet ist und der Kupferfüllfaktor höher ist als bei Runddraht. Bei ganz hohen Frequenzen und ganz hohen Effizienzen, wo man diesen Aufwand betreiben will oder muss, geht es Richtung Litze.

Der schon angesprochene Charles Sullivan bringt da immer wieder Folienwicklungen für hohe Frequenzen ins Spiel. Ich glaube nicht, dass dies das Optimum ist, denn man muss relativ weit weg vom Luftspalt und der Kupferfüllfaktor ist nicht besonders gut. Aber es ist eine Möglichkeit, dem Skin-Effekt entgegenzutreten.

Fachlich ist das alles gut bekannt. Schlussendlich ist es neben den Kosten vor allem eine Frage der eingesetzten Prozesstechnik im Hinblick auf Zuverlässigkeit, Kontaktierbarkeit und Temperaturstabilität.

Haben Sie da Erfahrungen aus Kundenprojekten, Herr Dr. Friedrichs?

Dr. Peter Friedrichs: Ich beobachte auch, dass zurzeit viel ausprobiert wird. Häufig greift man erst zu HF-Litzen wegen des Skin-Effekts. Beim Testen wird dann festgestellt, dass die ohmschen Verluste doch mehr ins Gewicht fallen als die Verluste durch den Skin-Effekt. Anschließend sind dann andere Formen an der Reihe, etwa Flachdraht. In einem konkreten Kundenprojekt ist jetzt schon die fünfte Drosselvariante im Einsatz. Alle Wicklungsvarianten sind bereits durchpermutiert bis hin zu gekoppelten Wicklungen.

Oliver Opitz: Sie haben ja das Thema Planartrafo angesprochen. Wenn man sich die Entwicklung vom Rund- zum Flachdraht ansieht, dann ist der Planartrafo die konsequente Weiterführung des Flachdrahts. Das grundsätzliche Problem von Flachdraht ist ja, dass sich dieser sehr schlecht wickeln lässt und auch nicht in mehreren Lagen übereinander – vielleicht zwei, aber dann ist Schluss. Und auch bei den Leiterplatten gilt: Mehr als vier Lagen ist schon wieder ein Kostenthema.

Norbert Pieper: Auch die Isolation ist durch das Leiterplattenmaterial beim Planartrafo viel zu dick, um einen guten Kupferfüllfaktor erreichen zu können. Dieser Parameter ist aber wichtig, denn immerhin 70 Prozent der Trafoverluste entstehen in der Wicklung. Den Kupferfüllfaktor sehen wir bei Vishay daher als Hauptansatzpunkt für Verbesserungen. Bei PFC-Drosseln beispielsweise nutzt man meist einen Ringkern für eine hohe Induktivität, aber der Füllfaktor ist bei diesen im Allgemeinen schlecht. Wir arbeiten daran, diese mechanisch stabile, hoch kupfergefüllte Konstruktion mit niedrigem DC-Widerstand in einem nach Möglichkeit umschlossenen Kern zu realisieren – und das für Ströme jenseits der 200 Ampere wohlgemerkt.

Dr. Jörn Schliewe: Es gibt auch Anwendungen, wo der Planartrafo eine sehr gute Lösung ist. Der große Vorteil ist, dass Systementwickler in ihrer Welt »Leiterplatte« arbeiten können. Sie ätzen die Wicklung einfach in die Leiterplatte, bestellen »nur noch« den passenden Kern, und fertig ist der Trafo. Das ist recht einfach zu realisieren, das Optimum aber wird meiner Meinung nach meist eine diskrete Lösung sein.