Komposit-Induktivitäten
Verluste im Kern
Die Berechnung der Kernverluste und des Temperaturanstiegs magnetischer Bauteile hilft bei der Komponentenauswahl. Eine präzise Vorhersage ist nicht ganz einfach. Es existieren mehrere Modelle, die alle ihre Vor- und Nachteile haben. Im spezifischen Fall der Komposit-Induktivitäten gibt es einige zusätzliche Besonderheiten.
Die Kernverluste von Induktivitäten auf der Basis von Industriestandard-Kernbauformen, wie sie von zahlreichen Herstellern angeboten werden, lassen sich sehr einfach berechnen. Das liegt daran, dass solche Standardkerne alle die gleiche Geometrie aufweisen und daher auch die Kernkonstanten identisch sind – man braucht einfach nur die jeweiligen Materialcharakteristika in die Gleichungen einzusetzen.
Wenn man die Geometrieeigenschaften kennt, lassen sich – bei gegebener Kerngröße – die Kernverluste für eine komplette Induktivitätsserie leicht berechnen. Die einzige variable Größe ist die Anzahl der Windungen. Bei Komposit-Induktivitäten ist dies nicht der Fall. Konstruktionsbedingt variieren die Geometrieparameter bei diesen Bauteilen je nach Induktivitätswert, und zwar auch bei gleicher Kerngröße.
Eine Komposit-Induktivität ist »anders herum« aufgebaut als eine konventionelle Induktivität. Bei Letzteren ist der Wicklungsdraht entweder direkt auf den Kern gewickelt (Ringkernkonstruktion) oder er ist auf eine Spule gewickelt, in welche die beiden Kernhälften gesteckt werden (E-Kern). Bei einer Komposit-Induktivität wird zunächst ein Kupferdraht zu einer Luftspule gewickelt.
Die beiden Drahtenden dieser Luftspule werden dann auf einen Trägerstreifen (Leadframe) geschweißt, dessen Laschen als SMT-Lötanschlüsse dienen. Nun folgt das Umpressen der Spule mit ferromagnetischem Eisenpulver. Das Wesentliche an einer Komposit-Induktivität ist diese mit dem Magnetkern umpresste Spule. Da jede Spule einen anderen Durchmesser und eine andere Höhe aufweist, gelten für jede Induktivität andere Geometrieparameter. Das bedeutet, dass die Kernkonstanten für jede Induktivität individuell zu ermitteln sind.
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Verlustfaktoren
Der einzige gleichbleibende Parameter innerhalb einer Induktivitätsserie ist das Eisenpulver, und zwar dessen Kernverlustkonstanten. Allerdings gibt es zahlreiche Produktlinien, die jeweils auf unterschiedliche Einsatzbedingungen zugeschnitten sind, für die unterschiedliche Eisenpulver zum Einsatz kommen. Innerhalb dieser Produktlinien können auch Bauteile mit gleicher Induktivität unterschiedlich ausgeführte Luftspulen besitzen.
Das bedeutet, dass für die Berechnungen nicht nur Geometrie-, sondern auch Materialkonstanten nötig sind. Jede Induktivität hat also ihre individuellen Parameter, auch innerhalb einer Produktlinie gegebener Größe. Komposit-Induktivitäten werden häufig in nicht galvanisch getrennten DC/DC-Wandlern eingesetzt. Das spielt an sich im vorliegenden Kontext keine Rolle; was jedoch eine Rolle spielt, sind die Signalformen, mit denen solche Schaltungen arbeiten.
Für die Charakterisierung der Kernverluste dient oft eine sinusförmige Erregung als Modell, und die resultierenden Daten beruhen auf dieser Annahme. DC/DC-Wandler arbeiten jedoch nicht mit sinusförmigem Wechselstrom, sondern mit gepulstem Gleichstrom. Der für den Kernverlust maßgebliche Strom hat daher keinen sinusförmigen, sondern einen dreieckigen Zeitverlauf. Das ist bei der Kernverlust-Berechnung zu berücksichtigen. DC/DC-Wandler finden immer öfter auch bei höheren Umgebungstemperaturen Verwendung.
Die Induktivität muss daher nicht nur den Temperaturanstieg infolge interner Leistungsverluste verkraften, sondern auch noch höhere Umgebungstemperaturen. Es ist bekannt, dass Eisenpulver bei höheren Temperaturen altert, wodurch die Kernverluste zunehmen. Bei Komposit-Induktivitäten, die bei Umgebungstemperaturen von über +125 °C eingesetzt werden sollen, ist diese thermische Alterung zu berücksichtigen.
Die Auswirkungen der thermischen Alterung lassen sich minimieren, indem der Systementwickler dafür sorgt, dass die maximale Betriebstemperatur der Induktivität unter +125 °C bleibt. Es empfiehlt sich, zunächst die Worst-Case-Betriebsbedingungen für die Schaltung zu bestimmen, in der die Induktivität Verwendung finden soll. Danach lassen sich die Kernverluste berechnen, und anhand dieser Daten kann die Induktivität so dimensioniert werden, dass sie über den gesamten Arbeitsbereich der Stromversorgung ihren Zweck erfüllt.
Zur Berechnung der Kernverluste sind folgende Parameter essenziell: Volt-Mikrosekunden-Produkt, Tastverhältnis und Arbeitsfrequenz der Schaltung. Alle übrigen Werte lassen sich aus diesen drei Größen ableiten.
- Verluste im Kern
- Berechnung der Kernverluste
- Auswahlkriterien
- Anwendungsbeispiel
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