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Würth Elektronik eiSos

Verluste minimieren

11. Oktober 2021, 10:24 Uhr | Von Alexander Gerfer, Ranjith Bramanpalli und Jochen Baier, Würth Elektronik eiSos

Bild 1a: Ansicht der WE-MAPI

Maximale Leistung auf kleinstem Raum ist das Kennzeichen der WE-MAPI-Speicherinduktivitäten der Würth Elektronik eiSos. Für energieeffiziente Schaltregler lassen sich die Bauteile am einfachsten mit dem Online-Designwerkzeug RedExpert mit seinem weltweit genauesten AC-Verlustmodell auswählen.

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Energieeffiziente Geräte sind wichtige Bausteine, um Ressourcen zu sparen und die Umwelt zu schonen. Je effizienter die Elektronik ist, umso länger ist bei mobilen Geräten die Batterielebensdauer, und in großen Industrie- und Serveranlagen mit Tausenden von Verbrauchern reduziert sich spürbar der Energiebedarf.
Maßgeblichen Einfluss auf die Basis energieeffizienter Geräte hat das Netzteil. Waren früher noch Linearregler die meistverwendeten Spannungsregler, so sind in modernen Leistungselektroniken überwiegend Schaltnetzteile zu finden. Einen Teil dazu beigetragen hat das kontinuierliche Verringern der Prozessorspannungen. Waren vor wenigen Jahren noch Schaltfrequenzen bis 300 kHz sehr verbreitet, so takten inzwischen moderne Schaltregler meist mit Frequenzen von 800 kHz und mehr. Aus diesem Grund sind die Schaltverluste einerseits, aber auch die Verluste der Speicherdrossel auf der anderen Seite wichtige Punkte im Design von Schaltnetzteilen.

Neue Materialmischungen der Eisenalloygruppe haben die Kernmaterialverluste für Hochstrom-Speicherdrosseln weiter reduziert. Eine neue Baureihe ist dabei die Serie WE-MAPI. Sie vereint durch geschickte Materialauswahl und Fertigungstechnologie die bestmögliche Ausnutzung von Induktivität und Stromtragfähigkeit bei geringen Eigenverlusten.

RedExpert, ein Online-Designwerkzeug, hilft dem Entwickler durch ein messtechnisch gestütztes Verfahren, die bis heute genauesten Daten der Gleich- und Wechselstromverluste von Speicherdrosseln in der Applikationsumgebung zu bestimmen. Eine traditionelle Kernverlustberechnung basierend auf den Steinmetz-Formeln stößt da sehr schnell an die Grenzen.

Bei herkömmlichen Spulen wird meist der Kupferlackdraht um den Kern gewickelt und mit einem Clip an das Terminal gelötet oder geschweißt. Anschließend wird der äußere Schirmring montiert und mit dem inneren Kern und der Wicklung verklebt.

Bei der WE-MAPI werden neue Wege beschritten, und die Wicklung wird mit einem Direktkontaktverfahren ohne Löten und Schweißen direkt mit den Anschlusspads des Bauteils kontaktiert. Durch die Einsparung des Clips konnte der effektive Durchmesser vergrößert werden, was zur Folge hat, dass weniger Windungen für gleiche Induktivitätswerte benötigt werden. Dies drückt sich in einem deutlich reduzierten Gleichstromwiderstand (RDC) der Wicklung aus.

In der Anwendung wird in der Regel der Start der Wicklung der Spule mit dem Schaltknoten des Schaltreglers verbunden – das Bauteil trägt dazu eine Markierung. Dadurch wird die räumliche Ausdehnung des „heißen“ Schaltknotens minimiert, Kopplungseffekte werden durch den äußeren, auf „ruhiges“ Potenzial bezogenen Teil der Wicklung mit abgeschirmt.

Der Kern besteht aus einer innovativen Metallalloylegierung, die um die Wicklung herum gepresst wird. Dies verleiht der WE-MAPI hohe Induktivitätswerte bei kleiner Bauform. Durch die besondere Konstruktion des Kerns wird zugleich eine selbstschirmende Wirkung erzeugt. Das Kernmaterial selbst ist temperaturstabil mit nur geringer Drift und weichem Sättigungsverhalten. Zusätzlich wird um den Kern eine Schutzschicht aufgebracht, um die Oberflächen resistent gegen Umwelteinflüsse zu machen. Erhältlich ist die WE-MAPI-Baureihe in vielen verschiedenen Bauformen, von (1,6 mm)2× 1,0 mm bis hin zu (5,4 mm)2× 3,1 mm.

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Verluste in Speicherinduktivitäten

Verluste setzen sich in einer Speicherdrossel zusammen aus Kernmaterialverlusten und Wicklungsverlusten. Dabei lassen sich die Wicklungsverluste selber unterteilen in Gleichstromverluste P = I2 · RDC, maßgeblich beeinflusst durch den Gleichstromwiderstand der Wicklung, und die Wechselstromverluste (RAC) der Wicklung, die sich durch den Skin- und Proximity-Effekt ergeben.
Es gibt einige Methoden zur Ermittlung der AC-Verluste der Wicklung – etwa die Dowell-, Ferreira- oder Nan/Sullivan-Methode.

Welchen Stellenwert in modernen Schaltreglern die AC-Verluste haben, lässt sich mit einem simplen Aufbau und der Messung der entsprechenden Verluste ermitteln. Als Beispiel nehmen wir einen Tiefsetzsteller mit einer Eingangsspannung von 24 V. Am Ausgang sind es 12 V mit 2 A. Getaktet wird mit 500 kHz. In dem Vergleich in Bild 3 wurde eine Speicherinduktivität mit 2,2 µH der Serie WE-MAPI 4020 vermessen und mit bauformgleichen Speicherinduktivitäten verglichen. Es ist deutlich zu erkennen, dass bei allen vermessenen Spulen die AC-Verluste die DC-Verluste überwiegen.
In Schaltreglern ist die Spule eines der wichtigsten Bauelemente. Deshalb ist die genaue Ermittlung der Verluste und der Erwärmung ein kritischer Schritt bei der Auswahl des richtigen Bauelements. Um die Erwärmung vorhersagen zu können, müssen zunächst die AC-Verluste genau ermittelt werden.

Die Steinmetz-Modelle

Historisch betrachtet wurden Kernverluste mit dem Steinmetz-Modell (1), und später mit dem modifizierten Steinmetz-Modell (2) oder dem generalisierten Steinmetz-Modell (3) ermittelt:

Wobei Pv die Kernverluste pro Volumeneinheit sind, f die Schaltfrequenz und Bpk die magnetische sinusförmige Aussteuerung. feq ist die äquivalente Frequenz die sich bei einem abweichenden Tastverhältnis einer nicht sinusförmigen Aussteuerung ergibt. K, α und β sind die Konstanten des Kernmaterials, die durch aufwändige Messungen mit einem Ringkern ermittelt wurden.

Ein wesentlicher Nachteil der Steinmetzgleichung besteht darin, dass sie vor allem für sinusförmige Anregungen gilt und in der Ermittlung der Koeffizienten im Allgemeinen nur mit Kleinsignalen gemessen wird. In den meisten Anwendungen der Leistungselektronik ist der Spulenstrom aber nicht sinusförmig. Und die Ströme sind Großsignale von einigen mA bis hin zu einigen hundert Ampere.

Es gibt auch andere Modelle, die das Problem nicht sinusförmiger Wellenformen durch Trennung von Hysterese- und Wirbelstromverlusten zu lösen versuchen. Dort hat sich die empirische Steinmetz-Gleichung als nützliche Variante erwiesen, bietet aber nur für sinusförmige Ströme eine hohe Genauigkeit. Allerdings arbeiten die verschiedenen Steinmetz-Modelle optimal nur bei einem Tastverhältnis von 50 Prozent und in einem beschränkten Frequenzbereich. Zudem ist wegen der hohen Komplexität bei der Ermittlung der magnetischen Weglänge die Ermittlung der Kernverluste mithilfe bestehender Modelle für Eisenpulver und Metalllegierungen nicht nur anspruchsvoll, sondern die Genauigkeit ist auch starken Schwankungen unterworfen. Und bei Induktivitäten, die aus mehreren verschiedenen Kernmaterialien bestehen, ist eine Schätzung der Verluste nicht oder nur sehr aufwändig möglich.