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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

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Das Würth-Elektronik-Modell

Das Würth-Elektronik-Modell

Würth Elektronik eiSos hat ein hochmodernes Modell entwickelt, um die kompletten AC-Verluste in Induktivitäten präzise ermitteln zu können. Dieses Modell basiert auf den empirischen Daten, die mit einem Echtzeitanwendungsaufbau gewonnen werden. Hierbei werden die Gesamtverluste der Induktivität in Wechselstrom- und Gleichstromverluste unterteilt.

Empirische Daten werden mit einem DC/DC-Wandler erfasst, wie er in der nachfolgenden Abbildung dargestellt. An die Induktivität wird eine pulsierende Spannung angelegt, wobei die Eingangsleistung Pin und die Ausgangsleistung Pout gemessen werden. Auf dieser Basis wird Ploss = Pin – Pout ermittelt und die Wechselstromverluste der Spule PAC werden separiert. Dieser Vorgang wird für unterschiedlichste Parametereinstellungen – beispielsweise Schwankungen der magnetischen Aussteuerung, Schaltfrequenz, Ripple-Strom – gemessen, und die empirischen Daten werden aufgezeichnet. Mithilfe dieser empirischen Daten wird das Modell zur Berechnung der AC-Verluste erstellt:

PAC = f(∆I,freq,DC,k1,k2)

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Leistungsfähigkeit des Würth-Elektronik-Modells

Würth Elektronik hat das im eigenen Haus entwickelte Modell ausgiebig validiert und mit bestehenden Modellen und gemessenen Daten verglichen. Wechselstromverluste für verschiedene Materialien wie WE-Superflux, Eisenpulver, NiZn, MnZn wurden über große Tastverhältnis- und Frequenzbereiche gemessen und mit theoretischen Modellen verglichen, wie Bild 5 zeigt. In den Diagrammen sind die mit der Steinmetz-Leistungsgleichung (Pst), der modifizierten Steinmetz-Gleichung (Pmse) und der generalisierten Steinmetz-Gleichung (Pgse) ermittelten Kernverluste dargestellt. „RedExpert“ ist der Wechselstromverlust nach Berechnung mit dem AC-Verlustmodell von Würth Elektronik. „Real“ ist der gemessene AC-Verlust.

Verluste mit RedExpert ermitteln

RedExpert ist das Online-Designwerkzeug von Würth Elektronik eiSos, mit dem unkompliziert eine für die jeweilige Anwendung geeignete Speicherdrossel ausgewählt werden kann. Es ist ein einfach zu bedienendes und effektives Tool, um in kürzester Zeit Bauteile vergleichen und auswählen zu können.

Zunächst gibt der Benutzer die Eingangs- und Ausgangsparameter der gewünschten Topologie ein. Dann berechnet das Tool den benötigten Induktivitätswert und zeigt die passenden Induktivitäten an. Bild 6 zeigt eine Bildschirmaufnahme von RedExpert.
Die Berechnung der AC-Verluste in einem magnetischen Bauteil ist ebenso kritisch wie komplex, doch da in RedExpert das AC-Verlustmodell von Würth Elektronik integriert ist, gestaltet sich die Aufgabe einfacher. Aufgrund der genauen Berechnung der kompletten AC-Verluste eignet sich die Anwendung auch zur Temperaturabschätzung.

Derzeit unterstützt das Tool drei Topologien, bei denen das Bauteil für die Anwendung ausgewählt werden kann: Aufwärts-, Abwärts- und SEPIC-Wandler. Dabei werden die Verluste graphisch über den kompletten Eingangsspannungsbereich dargestellt, um auch die Extremszenarien zu betrachten. So lässt sich im Handumdrehen bequem für die jeweilige Anwendung die energieeffizienteste Speicherdrossel ausgewählen.
Um die richtige Induktivität für einen Tiefsetzsteller zu ermitteln, gibt man in der Eingabemaske (Bild 7) den vorhandenen Eingangsspannungsbereich sowie Ausgangsspannung und -strom ein, dazu noch die Schaltfrequenz, die Diodenflussspannung und den angestrebten Ripple-Strom der Induktivität. Mit einem Klick auf „Details anzeigen“ erhält man die passenden Speicherinduktivitäten sowie deren erwartete Ripple-Ströme und die Verluste in der Applikation.

Zusätzlich gibt es einen manuellen Verlustrechner, welcher unabhängig von der Topologie die Verluste für Speicherdrosseln berechnet. Hierzu sind lediglich die Frequenz, das Tastverhältnis sowie der Ripple-Strom oder der Spannungsabfall einzugeben, und das Tool erledigt den Rest. Besonders praktisch ist, dass unterhalb der Eingabemaske die entsprechenden Eingaben sofort graphisch dargestellt werden.

RedExpert ist ein webbasiertes Tool, das heißt, der Benutzer muss es weder herunterladen noch sich um die Aktualisierung kümmern. Registrierte Kunden kommen in den Genuss weiterer Vorteile, wie etwa die Ermittlung des Induktivitätswertes oder der Temperaturerhöhung der Induktivität bei jedem beliebigen Stromwert.