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Neue Kernmaterialien – neue Möglichkeiten

13. Oktober 2020, 09:30 Uhr   |  Alex Nebel, Kemet

Neue Kernmaterialien – neue Möglichkeiten
© vladimirfloyd | Adobe Stock

Jüngste Fortschritte bei Ferrit- und Metallverbundkernen bieten Entwicklern mehr Auswahl, um die Leistungsfähigkeit, Zuverlässigkeit und Kosten ihrer Designs zu optimieren. Das betrifft Eigenschaften wie Abmessungen, Sättigungsverhalten und Verluste.

Kondensatoren bekommen derzeit mehr Aufmerksamkeit als andere passive Bauelemente. Doch wo ein Kondensator ist, ist eine Induktivität oft nicht weit. Die Eigenschaften des Kernmaterials haben starken Einfluss auf die Induktivität; dessen Form lässt sich verändern, um deren Eigenschaften zu optimieren.

Schaltungsentwickler versuchen, immer mehr Funktionen auf immer kleinerem Raum zu packen oder die Leistungsdichte zu erhöhen.

Damit besteht ein Bedarf an Induktivitäten, die hohe Induktivitätswerte bei immer kleineren Bauteilabmessungen liefern. Gleichzeitig müssen, um Leistungsverluste zu senken und den Wirkungsgrad hoch zu halten, unerwünschte parasitäre Effekte wie der Gleichstromwiderstand (DCR) minimiert werden, und die Parameter sollten über Temperaturschwankungen und über den gesamten Betriebsstrombereich hinweg stabil bleiben. Kernmaterialien mit besseren Eigenschaften haben es den Herstellern von Induktivitäten ermöglicht, diese Anforderungen zu erfüllen.

Wie bei jeder technischen Herausforderung beinhaltet die Optimierung des Kernmaterials allerdings Kompromisse, sodass in einigen Bereichen die Performance steigt, in anderen Bereichen allerdings Abwägungen erfordern. Trotz der Entwicklung neuer Kernmaterialien wie gesinterten Metallpulverkernen bieten herkömmliche Ferritkerne weiterhin attraktive Vorteile. Denn Induktivitäten mit Ferritkern (Drosseln) werden ebenfalls immer besser, da die Hersteller immer wieder neue Wege finden, die Bauteileigenschaften zu optimieren und die Parameter durch feinere Fertigungstoleranzen enger zu kontrollieren.

Derzeit sind zwei gängige Ferritmaterialien gebräuchlich: Nickel-Zink (NiZn) und Mangan-Zink (MnZn). NiZn-Ferrit weist den günstigeren Kernwiderstand auf, während andere Bauteilparameter wie Sättigungsverhalten, thermische Eigenschaften und Induktivität im Verhältnis zur Größe, weniger vorteilhaft sind. Andererseits ermöglichen MnZn-Kerne eine hohe Induktivität pro Volumen und einen hohen Wirkungsgrad, während die Sättigungscharakteristik, die thermischen Eigenschaften und der Kernwiderstand weniger stark ausgeprägt sind.

Kemet, Ferrite, Inductor
© Kemet

Bild 1: Durch eine Induktivität aus zusammengesetztem Ferrit (Assembled Ferrite) sinkt der Gleichstromwiderstand und es lässt sich wertvoller Platz auf der Platine sparen.

Neue Ferritkerne

Um die DCR- und Kernverluste, die mit MnZn-Ferritinduktivitäten verbundenen sind, erheblich zu reduzieren, hat Kemet eine neue Klasse von Komponenten aus zusammengesetztem Ferrit (Assembled Ferrite) entwickelt. Sie bestehen aus einem zweiteiligen Kern und einem Flachdraht-Direktanschluss (Bild 1) und vereinen die Vorteile der hohen Induktivität und des hohen Wirkungsgrades von MnZn-Induktivitäten mit einem geringen DCR und geringen Kernverlust.

Dieser Aufbau ermöglicht vertikal ausgerichtete Induktivitäten, z. B. die TPI-Serie von Kemet, die nur 6 mm breit ist – laut Hersteller 2 mm weniger als bei vergleichbaren herkömmlichen Induktivitäten. Dadurch lässt sich in Hochleistungsanwendungen wie PoL-Wandlern (Point of Load) für Hochleistungsprozessoren, für die mehrere Induktivitäten zwischen den PoLs und den Prozessorpins erforderlich sind, erheblich Platz sparen. Das Positionieren der Induktivitäten in der Nähe der Pins ist wünschenswert, um DC-Leitungsverluste zu minimieren, obwohl der Platz in der Nähe des Bausteins extrem begrenzt ist. Vier der schmaleren TPI-Bauteile können drei herkömmliche Induktivitäten auf der gleichen Leiterplattenfläche ersetzen.

Metallverbundkerne

Auch neue Metallverbundmaterialien (Metal Compounds) wurden entwickelt, die bessere Sättigungs- und thermische Eigenschaften als Ferritkerne bieten. Metallverbundinduktivitäten verfügen über einen Magnetkern aus Eisenpulverpartikeln, die mit einem Bindemittel gemischt und zu einer Kernform gepresst wurden.

Die hohe Permeabilität des Kernmaterials sorgt dafür, dass bei solchen Induktivitäten der Gleichstromwiderstand bei hohen Strömen niedriger und die Eigenerwärmung damit geringer ist. Dadurch steigt der Wirkungsgrad des Systems und die Abhängigkeit von Wärmemanagement-Komponenten wie Kühlkörpern sinkt (Tabelle 1).

  Materialtyp Ferrit-Induktivität Metallverbund-Induktivität  NiZn MnZn Fe-basiert Induktivität gut sehr gut schlecht magnetische Sättigung gut schlecht sehr gut thermische Eigenschaften gut schlecht sehr gut Wirkungsgrad gut sehr gut gut Kernwiderstand sehr gut schlecht gut

Tabelle 1: Vergleich gängiger Kerne für Induktivitäten.

Beim Vergleich der Induktivitäts- und Sättigungseigenschaften von Ferrit- und Metallverbundinduktivitäten zeigt der Ferrit einen höheren Nenninduktivitätswert. Der Induktivitätswert ist in der Regel anfangs konstant, fällt aber stark ab, sobald der Sättigungsstrom erreicht ist. Bei höherer Temperatur sinkt der Sättigungsstrom erheblich. Metallverbundinduktivitäten hingegen weisen eine geringere Nenninduktivität im Verhältnis zur Bauteilgröße auf, bietet dafür aber ein weniger ausgeprägtes Sättigungsverhalten und eine viel höhere Temperaturstabilität (Bild 2).

Kemet, Ferrite, Inductor
© Kemet

Bild 2: Bei Ferritkernen ändert sich der Sättigungsstrom stark mit der Temperatur, während der Sättigungsstrom bei Metallverbundkernen wenig temperaturabhängig ist (R. T. = Raumtemperatur; H. T. = hohe Temperatur).

Kemet hat kürzlich neue Komponenten aus der Metcom-Familie vorgestellt, die über hundert Varianten von 0,1 µH bis 47 µH mit DCR-Werten bis hinunter zu 1,5 mΩ enthält. Die Induktivitäten können bei Temperaturen von –55 °C bis +155 °C betrieben werden und haben eine Grundfläche von 5,3 mm × 5 mm × 2 mm. Dadurch eignen sie sich für dicht gepackte leistungselektronische Systeme und ermöglichen den Einsatz in anspruchsvollen Umgebungen von tiefen Minusgraden bis hohen Temperaturen, wie sie in der Industrie und unter der Motorhaube von Fahrzeugen auftreten können.

Während bei typischen Induktivitäten der Kupferleiter um den Magnetkern gewickelt ist, schließt der Metcom-Kern die Spule ein (Bild 3). Dadurch entsteht eine nichtleitende, abschirmende Außenschicht, die den Magnetfluss im Inneren der Induktivität hält. Damit steigt die Effizienz und die elektromagnetische Abstrahlung in die umliegenden Schaltungsteile sinkt.

Kemet, Ferrite, Inductor
© Kemet

Bild 3: Bei einer Metcom-Induktivität liegt der Kupferleiter nicht außen, sondern im Innern.

Durch ihre hohe Stabilität über einen weiten Betriebstemperaturbereich eignen sich Metcom-Induktivitäten besonders für Automotive-Anwendungen, in denen Bauteile hohen Temperaturen ausgesetzt sind, zum Beispiel unter der Motorhaube oder im Fahrzeuginnenraum, wenn er direktem Sonnenlicht ausgesetzt ist.

Auf der anderen Seite können Ferritinduktivitäten wie die TPI-Serie eine platzsparende Lösung liefern, die die wichtigen Anforderungen an die Performance erfüllt, wenn eine hohe Induktivität erforderlich ist und die Platzverhältnisse begrenzt sind.

Fazit

Die Einführung von Induktivitäten aus zusammengesetztem Ferrit mit Direktanschluss und die Entwicklung von Metallverbundinduktivitäten, die überragende Sättigungs- und thermische Eigenschaften mit dem zusätzlichen Vorteil inhärenter EMV bieten, haben die herkömmlichen Grenzen zwischen Kernen für Induktivitäten verwischt. Entwickler haben heute mehr Auswahlmöglichkeiten als je zuvor, um den Herausforderungen bei der Leistungswandlung zu begegnen, die sich von effizienzorientierten und größenbeschränkten Anwendungen in Rechenzentren bis zu größenbeschränkten und temperaturbeständigen Anwendungen im Automotive-Bereich erstrecken.

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