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.

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