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Passive Bauelemente

Magnetics für GaN und SiC

8. November 2016, 11:18 Uhr | Ralf Higgelke

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Luftspulen als Alternative?

Vielfach hört man, bei hohen Schaltfrequenzen eigneten sich Luftspulen. Sehen auch Sie das so? Wo liegen die Vor- und Nachteile einer Luftspule? Das Steckernetzteil von Finsix, das Tony Sagneri in seiner Keynote auf der APEC vorstellte, arbeitet ja mit einer solchen Luftspule.

Oliver Opitz: Schauen Sie sich an, an welchem Punkt heute Finsix steht, nämlich immer noch vor der Markteinführung dieses Netzteils. Und wenn Sie reinschauen, werden Sie sehen, es findet sich komischerweise doch irgendwie so etwas wie ein Magnetkern für den Transformator. Dieser Kern könnte natürlich die Permeabilität eins haben.

Luftspulen haben ihre Vor- und Nachteile. Der Vorteil ist, sie eignen sich hervorragend als Detektor. Aber geht man in den Bereich Speicherinduktivitäten, dann haben sie einen Riesennachteil: Das magnetische Feld ist völlig unkontrollierbar. Klar, man eliminiert die Kernverluste, da es keinen Kern mehr gibt, aber die EMV ist sehr kritisch.

Dr. Jörn Schliewe: Ich glaube, wir werden nicht ohne irgendeine Feldführung auskommen, und wenn das magnetische Material eine effektive Permeabilität nur von zehn hat. Ohne Feldführung spart man sich zwar den Kern, muss aber in die Schirmung des Feldes investieren. Und ob sich das wirtschaftlich rechnet, bezweifle ich.

Norbert Pieper: Aber die ganze HF-Technik arbeitet mit Luftspulen, weil sie sich weitestgehend linear verhalten und damit besser simulierbar sind. Bislang reden wir an diesem Tisch nur über die klassischen Wandler, aber kommen wir zu hohen Frequenzen, reden wir meist über resonante Systeme, die eher wie Filter arbeiten. Dort könnten Luftspulen von Vorteil sein. Allerdings gilt es auch die Leistungsklassen zu bedenken. Bei einem DC/DC-Wandler für maximal fünf Watt sieht es da sicher ganz anders aus als bei einem Kilowatt-Umrichter. Zu bedenken ist auch, dass Hochleistungs-Audioverstärker bei hohen Frequenzen Luftspulen nutzen, einfach weil sie linear und berechenbar sind.

Oliver Opitz: Auch bei Intels neuer Prozessorplattform Skylake kann man so etwas sehen. Dort sind soviel ich weiß 120 Luftspulen in einer Leiterplatte unter dem Interposer integriert (Intel nennt dies »3DL«; Anm. d. Red.). Aber dort reden wir von 120 Megahertz Taktfrequenz und einer Induktivität von acht oder zehn Nanohenry. In jenem Fall sprechen wir jedoch nicht über die klassische Stromversorgung für Industrieapplikationen.

Norbert Pieper: Das würde ich so nicht stehen lassen. Ich sehe da schon einen Bedarf, speziell aus dem Bereich Elektromobilität. Wir wollen doch nicht mit einem großen und schweren On-Board-Ladegerät herumfahren. Da bringt die Volumenreduzierung durch schnelle Schalter wie GaN oder SiC schon einen signifikanten Vorteil und damit auch den nötigen Marktvolumina. Ein weiterer vielversprechender Bereich ist Wireless Charging. Auch dort stehen große Marktvolumina in Aussicht.

Die klassische Industriestromversorgung, die mit Siliziumbauteilen schon heute hervorragende Wirkungsgrade erzielt, mit neuen, noch nicht ausgereiften Schaltern wie GaN-HEMTs auszustatten sehe ich eher skeptisch. Zwar ist Galliumnitrid in LEDs seit vielen Jahren am Markt, aber wir alle wissen, dass LEDs altern. Wie sieht es da mit Leistungsschaltern aus diesem Material aus? Wir wissen noch relativ wenig über deren Langzeitstabilität und Lebensdauer. Wie sieht es mit der Kontaktierung und der Metallisierung aus? Das ist noch weitgehend unerforscht.

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Grundwissen: Verluste induktiver Bauelemente
Induktivitäten haben Verluste. Auf welche physikalischen Effekte lassen sich diese zurückführen? Dr. Jörn Schliewe: Da sind grundsätzlich mal die Kern- und die Wicklungsverluste. Erstere wiederum lassen sich in Ummagnetisierungs-, Nachwirkungs- und Wirbelstromverluste aufspalten. In leistungselektronischen Systemen dominieren die Ummagnetisierungsverluste, während die Nachwirkungsverluste vor allem bei hohen Frequenzen und kleinen Signalen eine Rolle spielen. Bei den Wirbelstromverlusten ist beispielsweise bei Eisenpulverkernen die Korngröße ausschlaggebend. Es gibt eine Grenzfrequenz, ab der die Wirbelströme die Kernverluste ansteigen lassen. Bei den Wicklungsverlusten dominieren bei Gleichstrom oder niederfrequenten Strömen natürlich die ohmschen Verluste, die durch den elektrischen Widerstand der Kupferwicklung bestimmt sind. Steigt die Frequenz an, lässt zunächst der Skin-Effekt die Wicklungsverluste ansteigen, dann der Proximity-Effekt. Bei Letzterem wiederum unterscheiden wir zwischen dem internen Proximity-Effekt, bei dem das Magnetfeld eines Leiters den Strom in seinen Nachbarleitern verdrängt, und dem externen Proximity-Effekt, bei dem externe Magnetfelder – vor allem im Bereich des Luftspalts – den Strom in der Wicklung verdrängen. Wie äußern sich der Skin- und der Proximity-Effekt? Oliver Opitz: Der elektrische Widerstand einer Wicklung und damit die Kupferverluste sind frequenzabhängig. Während bei Gleichstrom der gesamte Kupferquerschnitt in diese I²R-Verluste eingeht, sinkt dieser effektive Kupferquerschnitt mit steigender Frequenz, sodass der elektrische Widerstand der Spule mit der Frequenz steigt. Leider sind diese Einflüsse in Datenblättern meist nicht angegeben. Nobert Pieper: Dafür könnte man, wie das bei HF-Spulen üblich ist, die Güte einer Leistungsinduktivität im Datenblatt angeben. Es gibt entsprechende Modelle, um diese frequenzabhängigen Effekte zu berechnen. Aus meiner Sicht sperrt sich aber der Markt noch, eine Güte für Leistungsinduktivitäten anzugeben. Oliver Opitz: Grundsätzlich stellt sich die Frage: Möchte der Anwender überhaupt so tief in die Materie einsteigen? Am Ende interessiert ihn eigentlich nur, wieviel Verluste das Bauteil insgesamt hat. Das auf die verschiedenen Arten von Kernverlusten und die verschiedenen Arten von Kupferverlusten herunterzubrechen ist aus meiner Sicht nicht unbedingt nötig.

Grundwissen: Verluste induktiver Bauelemente

Induktivitäten haben Verluste. Auf welche physikalischen Effekte lassen sich diese zurückführen?

Dr. Jörn Schliewe: Da sind grundsätzlich mal die Kern- und die Wicklungsverluste. Erstere wiederum lassen sich in Ummagnetisierungs-, Nachwirkungs- und Wirbelstromverluste aufspalten. In leistungselektronischen Systemen dominieren die Ummagnetisierungsverluste, während die Nachwirkungsverluste vor allem bei hohen Frequenzen und kleinen Signalen eine Rolle spielen. Bei den Wirbelstromverlusten ist beispielsweise bei Eisenpulverkernen die Korngröße ausschlaggebend. Es gibt eine Grenzfrequenz, ab der die Wirbelströme die Kernverluste ansteigen lassen.

Bei den Wicklungsverlusten dominieren bei Gleichstrom oder niederfrequenten Strömen natürlich die ohmschen Verluste, die durch den elektrischen Widerstand der Kupferwicklung bestimmt sind. Steigt die Frequenz an, lässt zunächst der Skin-Effekt die Wicklungsverluste ansteigen, dann der Proximity-Effekt. Bei Letzterem wiederum unterscheiden wir zwischen dem internen Proximity-Effekt, bei dem das Magnetfeld eines Leiters den Strom in seinen Nachbarleitern verdrängt, und dem externen Proximity-Effekt, bei dem externe Magnetfelder – vor allem im Bereich des Luftspalts – den Strom in der Wicklung verdrängen.

Wie äußern sich der Skin- und der Proximity-Effekt?

Oliver Opitz: Der elektrische Widerstand einer Wicklung und damit die Kupferverluste sind frequenzabhängig. Während bei Gleichstrom der gesamte Kupferquerschnitt in diese I²R-Verluste eingeht, sinkt dieser effektive Kupferquerschnitt mit steigender Frequenz, sodass der elektrische Widerstand der Spule mit der Frequenz steigt. Leider sind diese Einflüsse in Datenblättern meist nicht angegeben.

Nobert Pieper: Dafür könnte man, wie das bei HF-Spulen üblich ist, die Güte einer Leistungsinduktivität im Datenblatt angeben. Es gibt entsprechende Modelle, um diese frequenzabhängigen Effekte zu berechnen. Aus meiner Sicht sperrt sich aber der Markt noch, eine Güte für Leistungsinduktivitäten anzugeben.

Oliver Opitz: Grundsätzlich stellt sich die Frage: Möchte der Anwender überhaupt so tief in die Materie einsteigen? Am Ende interessiert ihn eigentlich nur, wieviel Verluste das Bauteil insgesamt hat. Das auf die verschiedenen Arten von Kernverlusten und die verschiedenen Arten von Kupferverlusten herunterzubrechen ist aus meiner Sicht nicht unbedingt nötig.