Bild 3: PM-Kern mit drei Luftspalten. Der zweite und dritte Spalt wird durch das symmetrische Gegenstück gebildet.

Bild 3: PM-Kern mit drei Luftspalten. Der zweite und dritte Spalt wird durch das symmetrische Gegenstück gebildet. (Bild: TDK, Epcos)

Alle Arten von Stromversorgungen benötigen passive Bauelemente und damit Ferrite, die wiederum in unterschiedlichen Kernbauformen die Basis von Induktivitäten zur Energiespeicherung und von Transformatoren zur Leistungsübertragung und galvanischen Trennung bilden. Zwar sind heute bereits Wirkungsgrade über der 98-Prozent-Marke erreichbar, Entwickler kämpfen jedoch um jedes Zehntelprozent, um besonders bei leistungsstarken Stromversorgungen die Effizienz bei gleichzeitiger Miniaturisierung und damit Gewichtsersparnis weiter zu steigern.

Eck-Daten

Neben Leistungshalbleitern sind es die passiven Bauelemente, die für den Wirkungsgrad von Stromversorgungen entscheidend sind. Weiterentwicklungen bei Materialien und Designs für Ferritkerne und Kondensatoren sorgen dafür, dass beispielsweise die Vorteile der hohen Schaltfrequenzen von GaN- und SiC-basierenden Systemen auch ausnutzbar sind. TDK stellt im Beitrag ein Ferritmaterial auf MnZn-Basis für Frequenzen bis 4 MHz, ein innovatives Luftspalt-Design für Ferritkerne sowie einen axialen Elko in Hybrid-Polymer-Technologie vor, der eine um den Faktor 2 bis 5 gesteigerte Ripple-Stromtragfähigkeit besitzt.

Wide-Band-Gap-Halbleiter wie GaN und SiC ermöglichen weitere Fortschritte, denn sie können höhere Frequenzen mit steileren Flanken bei geringeren Verlusten schalten. Damit ist es prinzipiell möglich, deutlich kleinere Induktivitäten und Übertrager einzusetzen, beziehungsweise bei gleicher Baugröße höhere Leistung zu übertragen. Der Nachteil dabei: Bisherige Leistungs-Ferritmaterialien für passive Bauelemente sind für Frequenzen im Megahertz-Bereich nicht ausgelegt und zeigen hier höhere Verluste als bei niedrigen Frequenzen.

Hohe Effizienz bis 4 MHz

Bild 1: Bei einer Frequenz von rund 2 MHz bietet das MnZn-Ferritmaterial PC200 sein Leistungsoptimum. Damit eignet es sich sehr gut für passive Bauelemente in Topologien von Stromversorgungen, die auf GaN und SiC basieren.

Bild 1: Bei einer Frequenz von rund 2 MHz bietet das MnZn-Ferritmaterial PC200 sein Leistungsoptimum. Damit eignet es sich sehr gut für passive Bauelemente in Topologien von Stromversorgungen, die auf GaN und SiC basieren. TDK, Epcos

Um die Vorteile der Wide-Bandgap-Halbleiter tatsächlich nutzen zu können, hat TDK das Ferritmaterial PC200 auf MnZn-Basis entwickelt, das für den Frequenzbereich von 0,7 bis 4 MHz ausgelegt ist. Das Maximum der übertragbaren Leistung wird bei einer Schaltfrequenz von 1,8 bis 2 MHz und 100 °C Betriebstemperatur erreicht. Die Curie-Temperatur des Materials liegt bei über 250 °C. Damit eignet sich das Ferritmaterial PC200 besonders gut für Übertrager, die auf Ringkern-oder Planarkern-Topologien basieren. Bild 1 zeigt einen Performance-Vergleich von PC200 mit konventionellen Materialien.

Verteilte Luftspalte, geringere Verluste

Bild 2: Durch gleichmäßige Verteilung der Luftspalte (rechts) lässt sich die Verlustleistung (rot) der passiven Bauelemente im Vergleich zu Lösungen mit nur einem Luftspalt (links) deutlich reduzieren.

Bild 2: Durch gleichmäßige Verteilung der Luftspalte (rechts) lässt sich die Verlustleistung (rot) der passiven Bauelemente im Vergleich zu Lösungen mit nur einem Luftspalt (links) deutlich reduzieren. TDK, Epcos

Das Einschleifen von einzelnen Luftspalten in Ferritkernen ist gängiger Stand der Technik, um die Kernsättigung zu verzögern und damit die Leistungsfähigkeit des Bauelements zu erhöhen. Diese einzelnen, relativ großen Luftspalten führen allerdings zu einem höheren magnetischen Streufeld, was besonders bei hohen Frequenzen zu zusätzlichen Kupferverlusten führt. TDK bietet mit neu entwickelten Geometrien und der Kernfertigungstechnik der verteilten Luftspalte als erster Ferritkernhersteller eine optimierte Lösung, um das magnetische Streufeld zu verringern und damit die Erwärmung zu reduzieren (Bild 2). Dabei verhindert die Anordnung der Luftspalte im Mittelbutzen die Magnetfeld-Emission in die Umgebung sehr wirkungsvoll.

Bild 3: PM-Kern mit drei Luftspalten. Der zweite und dritte Spalt wird durch das symmetrische Gegenstück gebildet.

Bild 3: PM-Kern mit drei Luftspalten. Der zweite und dritte Spalt wird durch das symmetrische Gegenstück gebildet. TDK, Epcos

Verfügbar sind Kernbauformen mit verteilten Luftspalten in den Bauformen E, EQ, ER, ETD, PM und PQ in jeweils unterschiedlichen Baugrößen sowie allen Epcos-Leistungsmaterialien. Lösungen mit drei Luftspalten (Bild 3) bieten das beste Preis-/Leistungsverhältnis für Anwendungen, bei denen die zwei- bis dreifache Schaltfrequenz im Vergleich zur ursprünglichen Frequenz zum Einsatz kommt. Dabei lassen sich die Verluste um bis zu 70 Prozent reduzieren. Neben den Standardlösungen für passive Bauelemente lässt sich auch eine kundenspezifische Anzahl von Luftspalten realisieren.

 

Auf der folgenden Seite beschreibt der Artikel, wie sich der ESR in Stromversorgungen drastisch senken lässt.

ESR drastisch senken

Alu-Elkos sind dank ihrer einzigartig hohen Kapazität pro Volumen unverzichtbar in den meisten Stromversorgungen und Automotivesystemen. Die Kondensatoren stabilisieren die Betriebsspannung und sichern damit das zuverlässige Funktionieren der Systeme. Ein entscheidendes Leistungsmerkmal von Alu-Elkos ist der ESR (Equivalent Series Resistance), denn proportional zum ESR entsteht bei Beaufschlagung mit Wechselstrom, dem sogenannten Ripple, eine Verlustleistung, die das Bauelement nach der Leistungsformel PV = ESR x I2AC aufheizt. Somit ist es der ESR in Kombination mit dem thermischen Widerstand, der die Stromtragfähigkeit des Alu-Elkos maßgeblich begrenzt. Auch hier ist es in der Vergangenheit gelungen, durch entsprechende Designs wie der Multi-Tab-Anbindung der Folien den ESR zu verringern und so die Stromtragfähigkeit der Kondensatoren zu steigern.

Eine weitere deutliche Verringerung des ESR ist jedoch mit der konventionellen Technologie von Alu-Elkos nicht mehr realisierbar. Der Grund hierfür ist die geringe Leitfähigkeit des flüssigen Elektrolyten, der die leitende Verbindung zwischen Kathodenfolie und Oxidschicht, dem Dielektrikum, an der Anode herstellt. Die Leitfähigkeit dieser Elektrolyte, auch als Ionenleiter bezeichnet, liegt bei nur etwa 0,01 S/cm. Zum Vergleich: Die Leitfähigkeit von reinem Metall wie zum Beispiel Kupfer liegt bei 58 × 104 S/cm.

Hybrid-Polymer-Technologie

Bild 4: Innerer Aufbau eines Alu-Elkos in Hybrid-Polymer-Technologie.

Bild 4: Innerer Aufbau eines Alu-Elkos in Hybrid-Polymer-Technologie. TDK, Epcos

Um den ESR spürbar weiter zu senken, nutzt TDK die Hybrid-Polymer-Technologie, die ein hochleitfähiges Polymer mit einer Leitfähigkeit von rund 1000 S/cm mit einem Flüssigelektrolyten kombiniert. Bild 4 zeigt den Aufbau eines Alu-Elkos in dieser Technologie. Neben der Senkung des ESR bietet die Hybrid-Technologie im Gegensatz zur Verwendung von ausschließlich Polymeren noch einen weiteren Vorteil: Die Selbstheilungsfähigkeit des Alu-Elkos, also die Re-Oxidation von Defekten der isolierenden Oxidschicht, bleibt erhalten. Dies steigert die Spannungsfestigkeit, Temperaturbeständigkeit und Lebensdauer eines Hybrid-Polymer-Alu-Elkos im Vergleich zu einem reinen Polymer-Alu-Elko.

Nach heutigem Stand der Technik ermöglicht die Hybrid-Polymer-Technologie – abhängig von Temperatur und Nennspannung – eine um den Faktor 2 bis 5 gesteigerte Ripple-Stromtragfähigkeit. Derzeit auf dem Markt verfügbare Kondensatoren weisen jedoch relativ kleine Kapazitätswerte und Nennspannungen auf. Typische Werte sind 270 µF bei einer Nennspannung von 35 V mit Abmessungen von 10 mm × 10 mm (D × H) in SMD-Ausführung. Hierbei erreichen die Bauelemente ESR-Werte im Bereich zwischen 10 und 15 mΩ.

 

Technologische Fortschritte bei den Hybrid-Polymer-Alu-Elkos von TDK beschreibt der Beitrag auf der nächsten Seite.

Höhere Leistungsdichten und Kapazitäten

TDK hat die gängige Technologie von Hybrid-Polymer-Alu-Elkos weiter verbessert, um bei geringeren ESR-Werten höhere Kapazitäts- und Leistungsdichten zu realisieren. Die Neuentwicklungen umfassen dabei:

  • Material: Struktur und Zusammensetzung des Fest-Flüssig-Elektrolytsystems
  • Prozess: Möglichkeit des Einbringens des Polymermaterials auch in große Wickel
  • Design: Sehr geringer Metall-ESR durch Multi-Tab-Anbindung, um Vorteile der hohen Polymerleitfähigkeit auch in großen Bauformen in Kombination mit sehr geringem ESL (Equivalent Series Inductance) auszunutzen.

Axiales Design

Bild 5: Der Hybrid-Polymer-Alu-Elko in axialem Design besitzt bei einer Kapazität von 1300 µF einen sehr geringen ESR von nur 3 mΩ.

Bild 5: Der Hybrid-Polymer-Alu-Elko in axialem Design besitzt bei einer Kapazität von 1300 µF einen sehr geringen ESR von nur 3 mΩ. TDK, Epcos

Bild 6: Vergleich des ESR-Verlaufs von Hybrid-Polymer-Alu-Elkos und konventionellen Alu-Elkos.

Bild 6: Vergleich des ESR-Verlaufs von Hybrid-Polymer-Alu-Elkos und konventionellen Alu-Elkos. TDK, Epcos

Auf Grundlage der Neuentwicklungen hat TDK einen Hybrid-Polymer-Alu-Elko in axialem Design realisiert. Er bietet eine Kapazität von 1300 µF bei einer Nennspannung von 25 V und einen sehr geringen ESR von nur 3 mΩ. Die Abmessungen betragen dabei 14 mm × 25 mm (D × H) (Bild 5). Im Vergleich zu konventionellen Alu-Elkos wurde dabei der ESR um den Faktor 8,5 gesenkt. Damit kann der neue Kondensator einen extrem hohen Ripplestrom von bis zu 16 A bei 10 kHz und 125 °C Gehäusetemperatur tragen. Zum Vergleich: Bei konventionellen Typen liegt der maximale Ripplestrom bei 6 A. Bild  6 zeigt beispielhaft einen Vergleich der ESR-Kennlinien von Hybrid-Polymer-Alu-Elkos und konventionellen Alu-Elkos.

Geringerer Platzbedarf

Damit bietet der axiale Hybrid-Polymer-Alu-Elko eine sehr hohe Leistungsdichte, die zu einer deutlich geringeren Anzahl nötiger Bauelemente und somit zu einer merklichen Platzeinsparung führt. Um die geforderte hohe Strombelastbarkeit zu erzielen, müssen bislang gerade bei Automotive-Anwendungen oft mehrere konventionelle passive Bauelemente wie Alu-Elkos, die bezüglich ihrer Kapazität überdimensioniert sind, oder niederkapazitive Hybrid-Polymer-SMD-Elkos parallel geschaltet werden. Durch die Verwendung nur eines einzigen Bauelements ergibt sich zudem eine höhere Betriebssicherheit und Zuverlässigkeit, da weniger Lötstellen erforderlich sind.

Ein typisches Einsatzgebiet der neuen Hybrid-Polymer-Kondensatoren mit Nennspannungen von 25, 35 und 63 V sind die Zwischenkreise von Invertern für 48-V-Bordsysteme, die für Hybridantriebe von Fahrzeugen zunehmend an Bedeutung gewinnen.

Christoph Jehle

Manager Technology & Product Communications, Corporate Communications and Public Relations bei Epcos

(na)

Kostenlose Registrierung

Bleiben Sie stets zu allen wichtigen Themen und Trends informiert.
Das Passwort muss mindestens acht Zeichen lang sein.
*

Ich habe die AGB, die Hinweise zum Widerrufsrecht und zum Datenschutz gelesen und akzeptiere diese.

*) Pflichtfeld

Sie sind bereits registriert?