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Kompakt, robust und selbstschirmend
Eine kompakte, gerade erweiterte Baureihe von Induktivitäten vereint dank geschickter Materialauswahl und Fertigungstechnologie die bestmögliche Ausnutzung von Induktivität und Stromtragfähigkeit bei geringen Eigenverlusten. Die Online-Design-Plattform REDEXPERT unterstützt bei der Auswahl.
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.
Die Basis für energieeffiziente Geräte wird maßgeblich auch durch das Netzteil beeinflusst. Waren früher noch Linearregler die meistverwendeten Spannungsregler, so sind in modernen Leistungselektronikschaltungen überwiegend Schaltnetzteile zu finden. Die kontinuierliche Verringerung der Prozessorspannungen hat seinen Teil dazu beigetragen. Vor wenigen Jahren waren noch Schaltfrequenzen bis 300 kHz sehr verbreitet, doch heute sind moderne Schaltregler meist mit Frequenzen von 800 kHz und mehr getaktet. Die Schaltverluste einerseits, aber auch die Verluste der Speicherdrossel auf der anderen Seite sind wichtige Aspekte im Entwurf von Schaltnetzteilen.
Neue Materialmischungen aus der Gruppe der Eisenlegierungen haben die Kernmaterialverluste für Hochstrom-Speicherdrosseln weiter reduziert. Darauf basierend wurde die Serie WE-MAPI entwickelt, die durch geschickte Materialauswahl und Fertigungstechnologie die bestmögliche Ausnutzung von Induktivität und Stromtragfähigkeit bei geringen Eigenverlusten vereint.
Der Entwickler von Stromversorgungen wird dabei durch die Online-Design-Plattform REDEXPERT unterstützt, mit dem sich die Gleich- und Wechselstromverluste von Speicherdrosseln in einer bis dato nicht verfügbaren Genauigkeit bestimmen lassen. Dies geschieht durch ein messtechnisch gestütztes Verfahren, das die Berechnung von Kernverlusten erheblich genauer zulässt, als dies mit den Steinmetzformeln möglich wäre.
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Steckbrief der Speicherdrossel WE-MAPI
Die Speicherdrossel WE-MAPI ist die neueste und innovativste Spulenserie von Würth Elektronik. Bei herkömmlichen Spulen wird meist der Kupferlackdraht um den Kern gewickelt und mit einem Clip an das Terminal gelötet oder geschweißt. Anschließend findet die Montage des äußeren Schirmrings statt sowie die Verklebung mit dem inneren Kern und der Wicklung.
Bild 1
Bei der WE-MAPI hingegen erfolgt die Kontaktierung der Wicklung mit einem Direktkontaktverfahren ohne Löt- und Schweißvorgänge direkt an den Anschlusspads des Bauteils (Bild 1). Durch die Einsparung eines Clips ließ sich der effektive Durchmesser vergrößern, was zur Folge hat, dass weniger Windungen für gleiche Induktivitätswerte erforderlich sind. Dies drückt sich in einem deutlich reduzierten Gleichstromwiderstand (RDC) der Wicklung aus.
Bild 2
Für ein verbessertes EMV-Verhalten sorgen eine selbstschirmende Wicklung und Kernkonstuktion.
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 minimiert sich die räumliche Ausdehnung des „heißen“ Schaltknotens und Kopplungseffekte durch den äußeren, auf „ruhigem“ Potential bezogenen Teil der Wicklung sind abgeschirmt (Bild 2).
Der Kern besteht aus einer innovativen Eisenlegierung, die um die Wicklung herum gepresst ist. Dies verleiht der WE-MAPI hohe Induktivitätswerte bei kleiner Bauform. Die besondere Konstruktion des Kerns hat zugleich eine selbstschirmende Wirkung. 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.
Der Kern besteht aus einer innovativen Eisenlegierung, die um die Wicklung herum gepresst ist. Dies verleiht der WE-MAPI hohe Induktivitätswerte bei kleiner Bauform. Die besondere Konstruktion des Kerns hat zugleich eine selbstschirmende Wirkung. 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.
Die WE-MAPI ist in vielen verschiedenen Bauformen erhältlich, von 1,6² x 1,0 mm3, bis hin zu 5,4² x 3,1 mm3 (Bild 3).
Verluste in Speicherdrosseln
Die Verluste einer Speicherdrossel setzen sich zusammen aus Kernmaterialverlusten und Wicklungsverlusten. Die Wicklungsverluste selbst lassen sich unterteilen in Gleichstromverluste, maßgeblich beeinflusst durch den Gleichstromwiderstand der Wicklung (Gleichung 1) und den Wechselstromverlusten (RAC) der Wicklung, die sich durch den Skin- und Proximity-Effekt ergeben.
P = I2 · RDC (Gleichung 1)
Es gibt einige Methoden zur Ermittlung der AC-Verluste der Wicklung – z.B. 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 kommt ein Tiefsetzsteller mit einer Eingangsspannung von 24 V zum Einsatz. Am Ausgang steht eine Spannung von 12 V bei einem Strom von 2 A zur Verfügung. Die Taktfrequenz liegt bei 500 kHz. In dem Vergleich in Bild 4 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 übertreffen.
In Schaltreglern ist die Spule eines der wichtigsten Bauelemente. Deshalb ist die genaue Ermittlung der Verluste und Erwärmung ein kritischer Schritt bei der Auswahl des richtigen Bauelements. Um die Erwärmung vorhersagen zu können, müssen zunächst die AC-Verluste genau ermittelt werden.
Ein Ansatz wären die Steinmetzmodelle, wobei diese vor allem bei sinusförmigen Anregungen und einem Tastverhältnis von 50 % eine akzeptable Annäherung bieten. Genauere Resultate liefert hingegen das Würth-Elektronik-Modell.
Würth Elektronik eiSos hat ein neues 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 findet zunächst eine Unterteilung der Gesamtverluste der Induktivität in Wechselstrom- und Gleichstromverluste statt.
Die empirischen Daten werden mit einem DC/DC-Wandler erfasst. An die Induktivität ist eine pulsierende Spannung angelegt, wobei die Eingangsleistung Pin und die Ausgangsleistung Pout gemessen werden. Auf dieser Basis ergibt sich Ploss=Pin-Pout und die Wechselstromverluste der Spule PAC werden separiert. Dieser Vorgang wird für unterschiedlichste Parametereinstellungen – beispielsweise Schwankungen der magnetischen Aussteuerung, Schaltfrequenz, Rippelstrom, usw. – gemessen, und diese empirischen Daten aufgezeichnet. Mit Hilfe dieser empirischen Daten wird das Modell zur Berechnung der AC-Verluste erstellt (Gleichung 2)
PAC = f(∆I,freq, DC, k1, k2) (Gleichung 2)
Vorteile des Würth Elektronik AC-Verlustmodells:
- Die empirischen Daten basieren auf einem DC/DC-Wandler
- Genaue Ermittlung der Verluste für jedes gegebene Tastverhältnis
- Genau über einen weiten Frequenzbereich (10 kHz bis 10 MHz)
- Berücksichtigt auch kleinste Veränderungen des Kernmaterials und der Wicklungsstruktur
- Gültig für Bauteile, mit mehr als einem verwendeten Material
- Genaue Ermittlung der Verluste von Bauteilen mit Eisenpulver und Metalllegierungen
- Gültig für jede beliebige Kernbauform und Windungsstruktur
- Beinhaltet auch die AC-Wicklungsverluste
Bild 5
Das Modell von Würth Elektronik wurde ausgiebig validiert und mit bestehenden Modellen und gemessenen Daten verglichen. Wechselstromverluste für verschiedene Materialien wie WE-Superflux, Eisenpulver, NiZn, MnZn usw. wurden über große Tastverhältnis- und Frequenzbereiche gemessen und mit theoretischen Modellen verglichen (Bild 5). In den Diagrammen sind die mit der Steinmetz-Leistungsgleichung (Pst), Modifizierten Steinmetzgleichung (Pmse) und Generalisierten Steinmetzgleichung (Pgse) ermittelten Kernverluste dargestellt. Mit „REDEXPERT“ ist der Wechselstromverlust nach Berechnung mit dem AC-Verlustmodell von Würth Elektronik gekennzeichnet. „Real“ ist der gemessene AC-Verlust.
WE-MAPI mit REDEXPERT auswählen
Die WE-MAPI-Speicherinduktivitäten sind mit ihrem innovativen Kernmaterial und dem durchdachten Design auf eine maximale Leistung auf kleinstem Raum ausgelegt. Für energieeffiziente Schaltregler wählt man die passende WE-MAPI-Speicherdrossel am besten mit REDEXPERT (Bild 6), der Online-Designplattform von Würth Elektronik aus. Hier ist das weltweit genaueste AC-Verlustmodell integriert, welches über weite Wertebereiche für die Parameter Frequenz, Rippelstrom und Tastverhältnis eine sehr hohe Genauigkeit erreicht.
Alexander Gerfer,
geboren 1965, arbeitete nach seiner Ausbildung zum Radio- und Fernsehtechniker in der Forschung und Entwicklung für Präzisionsmessgeräte. Es folgte ein Studium der Elektrotechnik an der Technischen Hochschule Köln. Während des Studiums veröffentlichte Alexander Gerfer zahlreiche Anwendungsschaltungen und Aufbaurichtlinien aus dem Bereich der Unterhaltungselektronik. Im Anschluss an das Studium war er im Vertrieb von elektronischen Bauteilen tätig. Nachdem er seit 1997 die Abteilung Forschung und Entwicklung leitete, ist er heute CTO der Würth Elektronik eiSos Gruppe.
Ranjith Bramanpalli
schloss 2008 sein Studium an der University of Massachusetts in Lowell mit Master-Graden in Elektrotechnik und Informatik ab. Seither arbeitete er auf dem Gebiet der Leistungselektronik, wobei sein Schwerpunkt auf Forschung, Entwicklung und Anwendung liegt. Zurzeit ist er als Product Application Engineer bei Würth Elektronik eiSos tätig.
Jochen Baier
studierte Wirtschaftsingenieurwesen an der Hochschule Heilbronn. Er hat über 10 Jahre Erfahrung in der Elektronikindustrie. Seit Anfang 2012 ist er als Leiter des Technischen Marketings bei Würth Elektronik eiSos tätig, welches die Bereiche Product Application Engineering, Simplicity Management sowie Customer Software umfasst. Mit seinem international aufgestellten Team ist er für die Online-Tools und Apps zuständig, und kümmert sich um die Vereinfachung und Verschlankung des Produktauswahlprozesses und den verbundenen unterstützenden und steuernden Maßnahmen. Vor seiner jetzigen Tätigkeit war er jahrelang für den Produktbereich Schaltungsschutz verantwortlich.
[1] Application Note ANP031: www.we-online.de/ANP031
[2] Tool REDEXPERT: https://redexpert.we-online.com/redexpert/#/
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