Ermittlung des Sättigungsverhaltens in Abhängigkeit von der Vormagnetisierung Induktivitätsmessung an Leistungsdrosseln

Bei Leistungsdrosseln mit Gleichstromvormagnetisierung interessiert oft weniger die Anfangsinduktivität, sondern vielmehr die sich stromabhängig ändernde Induktivität im Betrieb in der realen Schaltung über den gesamten Arbeitsbereich bis in die Sättigung. Doch herkömmliche Kleinsignal-Messbrücken sind hierbei überfordert.

Ermittlung des Sättigungsverhaltens in Abhängigkeit von der Vormagnetisierung

Bei Leistungsdrosseln mit Gleichstromvormagnetisierung interessiert oft weniger die Anfangsinduktivität, sondern vielmehr die sich stromabhängig ändernde Induktivität im Betrieb in der realen Schaltung über den gesamten Arbeitsbereich bis in die Sättigung. Doch herkömmliche Kleinsignal-Messbrücken sind hierbei überfordert.

Sofern es sich nicht um Luftspulen handelt, zeigen alle Leistungsinduktivitäten ein bestimmtes Sättigungsverhalten, d.h., die Induktivität nimmt bei steigendem Strom ab. Dies liegt an den Kernmaterialien, welche ab einer bestimmten Induktion B mehr oder minder stark an Permeabilität verlieren und sich dann im Extremfall wie Luft verhalten. Das Sättigungsverhalten einer Drossel kann beeinflusst werden durch die Wahl des Kernmaterials, durch die Kerngeometrie, durch die Windungszahl und durch den Luftspalt.

Allerdings ergeben sich oft Abweichungen zwischen der berechneten Induktivität bei einem bestimmten Strom (z.B. dem Nennstrom) und der realen Induktivität, da die Drosselgeometrie eine inhomogene Feldverteilung verursacht, die Datenblattangaben des Kernes oft unvollständig sind, sich Exemplarstreuungen der Kerne bemerkbar machen und darüber hinaus Fertigungstoleranzen bzw. Temperatureinflüsse auftreten. Bei der Entwicklung und der Qualitätsprüfung von Leistungsdrosseln muss deshalb das Sättigungsverhalten gemessen werden.

Leistungsdrosseln in der Anwendung

Leistungsdrosseln werden für viele Anwendungen benötigt, z.B. als Glättungsdrosseln für getaktete Stromversorgungen, als Filterdrosseln für IGBT-Umrichter (Sinusfilter), als Kommutierungsdrosseln für netzgeführte Umrichter, als Glättungsdrosseln für Stromzwischenkreise und viele weitere Schaltungskonzepte.

Einer der Hauptanwendungsbereiche ist der als Glättungsdrossel für getaktete Stromversorgungen (Bild 1). Dabei ist der Spannungsverlauf an der Drossel rechteckförmig. In der Drossel ergibt sich ein Stromfluss, der einen Gleichanteil mit einem überlagerten „Strom-Ripple“ aufweist (Bild 2). Die Frequenz dieses überlagerten dreieckförmigen Stroms entspricht der Taktfrequenz der Applikation und kann von einigen 100 Hz bis einige MHz reichen.

Für den Entwickler der Schaltung ist die Anfangsinduktivität L0 meist von geringem Interesse. Für ihn ist die Induktivität beim höchsten auftretenden (Gleich-)Strom wesentlich wichtiger, da sie den überlagerten Strom-Ripple (und damit die Restwelligkeit der Stromversorgung) sowie den maximalen Strom durch die Leistungshalbleiter bestimmt.

Würde die Glättungsdrossel etwa vor dem Erreichen des gewünschten maximalen Ausgangsstroms Iout max hart in die Sättigung gehen, würden die Leistungshalbleiter entweder beschädigt oder überhitzt, der Kondensator Cout könnte überlastet werden, und die Welligkeit am Ausgang würde stark zunehmen.

Bei den meisten anderen Schaltungstopologien und bei vielen anderen Anwendungsfällen für Leistungsdrosseln (z.B. Sinusfilter für IGBT-Umrichter) ist die Problematik prinzipiell gleich. Mit einer üblichen Kleinsignal-Messbrücke kann nur die Anfangsinduktivität L0 gemessen werden, da die Mess-Ströme äußerst klein sind.

Um das Sättigungsverhalten messen zu können, muss auch ein entsprechend hoher Strom durch die Drossel fließen. Für die folgenden Ausführungen ist es außerdem wichtig zu wissen, dass die Induktivität jeder Drossel frequenzabhängig ist.