Induktivitäten für DC-DC-Wandler

Du hast die Wahl

19. August 2022, 15:00 Uhr | Von Alexander Nebel, Yageo
Bei Induktivitäten gibt es eine enorme Auswahl an verschiedenen Typen, Materialien, Strukturen und Konstruktionen. Zuerst einige Grundlagen, bevor die Aspekte erörtert werden, die bei der Auswahl der Bauteile zu bedenken sind
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Bei Induktivitäten gibt es eine enorme Auswahl an Typen, Materialien, Strukturen und Konstruktionen. Für DC-DC-Wandler passen nicht alle verfügbaren Varianten optimal. Im Folgenden geht es zunächst um einige Grundlagen, bevor die Aspekte erörtert werden, die bei der Auswahl zu bedenken sind.

Oft wählen Entwickler die Induktivitäten für ihre DC-DC-Wandler nach dem maximalen Strom, den geringsten Abmessungen oder dem Preis aus. Doch die verwendete Technologie ist viel wichtiger. Es ist wichtig, die verschiedenen Technologien zu kennen, um schließlich die richtige Lösung zu finden. Um die Eigenschaften der verschiedenen Typen von Leistungsinduktivitäten zu verstehen, ist es auch wichtig, einige grundlegende Eigenschaften einer Spule zu verstehen. Auch die Rolle des Materials ist bei der Auswahl der richtigen Drossel zu berücksichtigen.

Jeder Leiter, in dem Strom fließt, erzeugt ein Magnetfeld um den Draht. Die magnetische Feldstärke H eines langen Drahtes lässt sich folgendermaßen berechnen:

H equals fraction numerator I over denominator 2 straight pi times straight r space space end fraction space space space space space space

Dabei gehen der Strom I und der Abstand zum Draht r ein. Wickelt man den Draht spiralförmig auf einen Stab auf, lässt sich die magnetische Feldstärke so bestimmen:

H equals fraction numerator N times I over denominator l end fraction space space space space space space space space space space

Dabei sind N die Zahl der Windungen und l die Länge des Stabes. Dies zeigt, dass die magnetische Feldstärke bei allen Materialien ebenso wie bei Luft gleich ist.

Das Kernmaterial kommt erst bei der Flussdichte B zum Tragen. In Luft beträgt diese:

B equals µ subscript o times H space space

Dabei ist µ0 konstant. Wickelt man den Leiter um ein ferromagnetisches Kernmaterial, so ändert sich die Flussdichte mit dem Material:

B equals space µ subscript 0 times µ subscript r times H space space

Das Kernmaterial wirkt sich auf die Flussdichte, nicht aber auf die Stärke des Magnetfeldes aus. Die Größe, die den Einfluss des Kernmaterials beschreibt, ist die relative Permeabilität µr. Deren Wert kann in einem extrem weiten Bereich zwischen 1 und 105 liegen und ist für ein bestimmtes Ferroelektrikum nicht konstant, sondern hängt von zahlreichen Faktoren wie Frequenz oder Temperatur ab. Die Abhängigkeit von der Flussdichte und der magnetischen Feldstärke zeigt sich als nichtlineares Verhalten in Form einer Hystereseschleife.

Die Fläche, die die Hystereseschleife umschließt, repräsentiert die Ummagnetisierungsverluste des Kernmaterials. Je größer die umschlossene Fläche ist, desto höher sind die Verluste. Für Anwendungen mit höheren Frequenzen sollte die Fläche daher möglichst klein sein. Um das richtige Material zu wählen, ist es wichtig, die jeweiligen Einsatzbedingungen wie Frequenz, Temperatur und Strom zu kennen.

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Einfluss des Luftspalts

Die Induktivität bestimmt sich durch das Kernmaterial, die Kerngeometrie und die Art, wie der Draht um den Kern gewickelt wird. Die Induktivität lässt sich wie folgt berechnen:

L equals fraction numerator mu subscript o times mu subscript r times A subscript e f f end subscript times N squared over denominator I subscript e f f end subscript end fraction

Dabei sind Aeff die effektive Querschnittsfläche des Kerns und leff die effektive Länge des Magnetfelds im Kern. Die effektive Länge des Magnetfelds ergibt sich hauptsächlich aus der Geometrie und der Größe des Kerns. Je größer die effektive Fläche des Kernmaterials ist, desto höher ist die Induktivität, aber desto größer auch das Bauteil.

Um die Induktivität zu erhöhen, spielt die Windungszahl eine entscheidende Rolle, denn sie geht quadratisch ein. Andererseits erfordern viele Windungen größere Kernbauformen oder einen dünneren Draht, wodurch der elektrische Widerstand steigt und der maximal zulässige Strom sinkt. Je nach Platz auf der Platine ist die Größe des Bauteils beschränkt.

Bezieht man den Luftspalt in den Kern ein, verändert sich die Berechnung der Induktivität erheblich. Nun setzt sich diese aus der Summe der Induktivität des Kerns und der Induktivität des Luftspalts zusammen:

L equals fraction numerator µ subscript o times µ subscript r times A subscript e f f end subscript times N squared over denominator I subscript c o r e end subscript plus space delta times µ subscript r space end fraction space space space

Dabei sind δ die Länge des Luftspalts und lcore die mittlere Länge des Magnetfelds im Kern.

Die am häufigsten verwendeten Kernmaterialien haben einen hohen Wert von µr (>> 1), sodass der Luftspalt dominiert. Die obige Formel lässt sich vereinfachen zu:

L almost equal to fraction numerator mu subscript o times A subscript e f f end subscript times N squared over denominator delta end fraction 

Der Luftspalt beeinflusst die Induktivität stark. Dieser sollte sehr klein sein. Dann ist die Energiedichte höher als im Kernmaterial. Die Energie wird im Luftspalt gespeichert. Außerdem ermöglicht der Luftspalt, dass die Sättigungsinduktion höher ist.

Um eine Induktivität als Leistungsdrossel für einen DC-DC-Wandler zu verwenden, ist ein Luftspalt erforderlich, um
➔ die Energie zu speichern und
➔ den Sättigungspunkt zu erhöhen.

Trommelkern vs. Metallverbundkern

Die SBCP-Serie von Yageo ist eine Induktivität mit einem typischen Trommelkern
Bild 1. Die SBCP-Serie von Yageo ist eine Induktivität mit einem typischen Trommelkern.
© Yageo

Eine einfache Spulenform ist ein Trommelkern mit oder ohne Schirmung (Bild 1). Der Draht wird um den Kern gewickelt und ist von der Schirmung umgeben. Zwischen der Schirmung und dem Kern befindet sich der Luftspalt. Diese Konstruktion lässt sich sehr einfach fertigen.

Metallverbunddrosseln (Bild 2) haben keinen dezidierten Luftspalt wie die Spulen mit Trommelkern. Das Kernmaterial ist ein spezielles Eisenpulver, das mit einer isolierenden Schicht überzogen ist. Der Zwischenraum im Metallpulver wird mit einem speziellen Harz als Bindemittel aufgefüllt. Die Beschichtung und das Harz sind nicht magnetisch und wirken als Luftspalt, der sich über den Kern der Induktivität verteilt. Die isolierte Beschichtung der Leistungsdrosseln von Yageo ist eine Eigenentwicklung und beruht auf einem proprietären Verfahren für hohe Leistung und hohe Zuverlässigkeit.

Metallverbundkerne haben einen verteilten Luftspalt. Dadurch ist die Sättigung stabiler, weil es keinen Punkt gibt, an dem die Induktivität schlagartig absinkt
Bild 2. Metallverbundkerne haben einen verteilten Luftspalt. Dadurch ist die Sättigung stabiler, weil es keinen Punkt gibt, an dem die Induktivität schlagartig absinkt
© Yageo

Der größte Vorteil von Metallverbunddrosseln im Vergleich zu anderen Bauformen ist, dass die Sättigung stabiler ist, weil es keinen Punkt gibt, an dem die Induktivität schlagartig absinkt. Wenn der Brummstrom (Ripple) sehr hoch sein kann oder nicht klar definiert ist, kann der Verlust der Induktivität bei einer Standardausführung das Verhalten beeinflussen. Bei einer Metallverbunddrossel wirken sich höhere Brummströme weniger stark aus.

Da der Metallverbundwerkstoff vollständig um die Kupferspule herumgegossen ist, haben die Drosseln einen hohen volumetrischen Wirkungsgrad. Dadurch lassen sich höhere Induktivitätswerte in kleineren Gehäusen erzielen als bei jeder anderen Bauart.

Da die Konstruktion ohne mechanischen Luftspalt vollständig geschlossen ist, haben solche Spulen eine geringere elektromagnetische Abstrahlung. Sie lassen sich ohne größere Probleme in der Nähe des ICs platzieren, ohne Abschirmungsmaterial verwenden zu müssen. Da die umspritzte Konstruktion in einem Stück gefertigt wird, sind auch akustische Störgeräusche reduziert bzw. nicht vorhanden.

Einfluss des Kupferdrahts

Der Kupferdraht kann entweder einen runden oder einen rechteckigen Querschnitt haben. Mit runden Drähten lassen sich mehr Windungen in einem kleineren Gehäuse unterbringen. Dadurch sind höhere Induktivitätswerte möglich, da mehr Windungen zu höheren Induktivitätswerten führen. Andererseits können flache, rechteckige Drähte einen größeren Querschnitt und damit mehr Kupfer auf gleichem Raum erreichen (höherer Kupfer-Füllfaktor), was höhere Ströme ermöglicht. Somit hängt es davon ab, ob die Anwendung einen hohen Induktivitätswert oder einen hohen Nennstrom erfordert, um die richtige Lösung zu finden.

Aber nicht nur der Nennstrom und der Induktivitätswert, auch die Schaltfrequenz der Anwendung ist zu berücksichtigen. Bei höheren Frequenzen tritt der Skin-Effekt immer mehr in den Vordergrund. Dieser begrenzt den stromtragenden Querschnitt auf den äußeren Rand des Drahtes. Verwendet man einen flachen, rechteckigen Draht, bei dem der Umfang größer ist als bei einem Runddraht, ergibt sich eine größere effektive Fläche für den Stromfluss. Aus diesem Grund empfiehlt sich bei Anwendungen mit höherer Schaltfrequenz eine Konstruktion mit Flachdraht.
 
Yageo bietet Drosseln mit Flach- und Runddraht an, je nach den spezifischen Anforderungen des Entwicklers. Nach Betrachtung der Anwendung lässt sich die richtige Wahl leicht treffen. Falls höhere Ströme nötig sind, ist die richtige Wahl eine Konstruktion mit Flachdraht (MPC-Serie). Falls hohe Induktivitätswerte nötig sind, ist die richtige Wahl eine Konstruktion mit Runddraht (MPLC-Serie). In beiden Fällen reicht der Induktivitätsbereich von 100 nH bis 100 µH, die Betriebstemperaturen bis zu +180 °C, und die Baugrößen gehen von 5 mm × 5 mm × 2 mm bis zu 22 mm × 22 mm × 13 mm (Länge × Breite × Höhe). AEC-Q200-qualifizierte Komponenten für Automobilanwendungen sind verfügbar.

Alexander-Nebel von Yageo Elektronik
Alexander-Nebel von Yageo Elektronik
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Alexander Nebel

ist Technical Marketing Coordinator EMEA bei der Yageo Group. Davor war er in diversen Rollen als Field Application Engineer bei Kemet, Samsung Electro-Mechanics und Würth Elektronik eiSos tätig


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