Hart im Nehmen

Motorsteuergeräte tragen wesentlich zum Steigern der Energieeffizienz von Automobilen bei. Dicht an Motoren verbaut, müssen sie extremen Temperaturen und starken Vibrationen standhalten. Neue TDK Leistungsinduktivitäten der Baureihe CLF-D sind Schlüsselbauelemente für Stromversorgungen dieser Geräte.

Das Motorsteuergerät (Engine Control Module, ECM) ist eines von Dutzenden elektronischen Steuergeräten (Electronic Control Units, ECUs), die in Kraftfahrzeugen für das Management wichtiger Schlüsselfunktionen verantwortlich sind. Das ECM überwacht und regelt alle Prozesse im Verbrennungsmotor: von der Kraftstoffeinspritzung über den Lufteinlass bis zum Abgassystem und der Kühlung. Seine Hauptaufgabe besteht darin, eine optimale Kraftstoffeffizienz und minimale Abgasemissionen zu erreichen.

Um das Fahrzeuggewicht immer weiter zu reduzieren, ist die Automobilindustrie dazu übergegangen, schwere Kabelbäume möglichst kurz zu halten, und verbaut infolgedessen die Steuergeräte immer dichter an den Motoren. Für die direkte Montage am Motorgehäuse müssen die Motorsteuerung (Abbildung 1) und deren Komponenten so bemessen sein, dass sie hohen Umgebungstemperaturen und starken Schwingungen widerstehen.

Genau für diese extremen Einsatzbedingungen gibt es die neuen drahtgewickelten Leistungsinduktivitäten der TDK Baureihe CLF-D in SMD-Bauweise. Die neuen Bauelemente sind für Betriebstemperaturen von −40 °C bis +150 °C ausgelegt und nach AEC-Q200 qualifiziert und erfüllen damit die anspruchsvollen Anforderungen der Automobilindustrie.

Abbildung 1:

Aufbau eines Motorsteuergerätes (ECM)

Leistungsinduktivitäten der TDK Baureihe CLF-D sind Schlüsselkomponenten im DC/DC-Wandler hinsichtlich einer effizienten Stromversorgung von ECMs.

DC/DC-Tiefsetzsteller zur IC-Steuerung

Der DC/DC-Wandler im ECM ist ein Tiefsetzsteller (Abwärtswandler). Er wandelt die 12-V-Bordspannung in stabile Gleichspannungen um, wie sie von Teilsystemen der Motorsteuerung benötigt werden. Die Spannungen liegen, in Abhängigkeit vom IC, im Bereich von 1,2 V bis 5 V. Abbildung 2 zeigt den Schaltungsaufbau eines Tiefsetzstellers. Schaltelemente, wie MOSFETs, werden in Reihe geschaltet und eine Gleichspannung wird zyklisch ein- und ausgeschaltet. Eine der Schlüsselkomponenten der Stromversorgung ist die Leistungsinduktivität, die Energie in Abhängigkeit vom Tastgrad (Tastverhältnis) speichert und wieder abgibt, um so einen konstanten Stromfluss sicherzustellen. In Kombination mit einem Kondensator bildet die Leistungsinduktivität einen Glättungskreis, dessen Ausgangsspannung vom Tastgrad bestimmt wird.

Abbildung 2:

Schaltbild eines Tiefsetzstellers

Die Leistungsinduktivität in einem Tiefsetzsteller erfüllt zwei Funktionen: Sie speichert Energie und glättet die Ausgangsspannung.

Design für vollautomatische Fertigung

Damit die Leistungsinduktivitäten den außergewöhnlichen Umgebungsbedingungen von Verbrennungsmotoren standhalten können, ist die Baureihe CLF-D aus einem speziellen hitzebeständigen Material vereinfacht aufgebaut, wodurch selbst starke Schwingungen toleriert werden. CLF-D Leistungsinduktivitäten bestehen aus einem Ferrit-Rollenkern, um den die Drossel gewickelt ist (Abbildung 3). Die Spule ist von einem achteckigen Ferritkern abgeschirmt, um eine magnetische Kopplung mit anderen elektronischen Bauelementen zu verhindern, die zu Störungen und Verlustleistung führen könnte. Dank der magnetischen Abschirmung können die TDK Leistungsinduktivitäten problemlos in hohen Dichten montiert werden. Sie ermöglichen somit eine Verkleinerung der ECMs sowie von anderen ECUs in Fahrzeugen.

Zudem besitzt die Baureihe CLF-D keinen Sockel und besteht infolgedessen aus weniger Einzelteilen. Die drahtgewickelten Leistungsinduktivitäten in SMD-Bauweise fertigt TDK in einem neuen Verfahren, das vollkommen ohne Löten auskommt. Und: Sowohl zum Wickeln als auch zur Herstellung der Anschlüsse kommen neue, automatische Maschinen zum Einsatz. So kann durch diesen vollautomatischen Fertigungsprozess eine äußerst hohe und gleichmäßige Qualität des Endprodukts sichergestellt werden.

Abbildung 3:

Mechanischer Aufbau der TDK CLF-D Leistungsinduktivitäten

Die Leistungsinduktivitäten der TDK Baureihe CLF-D bestehen aus speziellem hitzebeständigem Material und sind einfach aufgebaut, wodurch sie starken Schwingungen widerstehen.

Hohe Leistungsfähigkeit

Die Leistungsinduktivitäten der Baureihe CLF-D werden in Abhängigkeit vom Typ mit Induktivitäten von 1 µH bis 470 µH und Nennströmen von 0,37 A bis 8,9 A angeboten (siehe Tabelle). Die neuen TDK Leistungsinduktivitäten zeichnen sich durch folgende Eigenschaften aus:

• Hohe Betriebstemperatur von bis zu +150 °C durch hitzebeständige Materialien
  
• Lötfreies Design
  
• Vollautomatische Fertigung für gleichbleibend höchste Qualität
  
• AEC-Q200 qualifiziert
  
• RoHS-kompatibel und für bleifreies Löten geeignet
  

Aufgrund des innovativen Designs und der robusten Materialien ist die Baureihe CLF-D auch für anspruchsvolle Anwendungen in der Automobilelektronik geeignet. Neben ihrer zuverlässigen Leistung in ECMs bietet sich die Baureihe CLF-D auch für die Stromversorgungen anderer ECUs von Kraftfahrzeugen an – etwa für ABS-Systeme, HID-Lampen und Airbag-Systeme.

Kenndaten der TDK CLF-D-Leistungsinduktivitäten

* Der Nennstrom ist der jeweils kleinere Wert von IDC1 und IDC2 
  I_DC1: Strom, ab dem sich die Anfangsinduktivität aufgrund der Gleichstromüberlagerung um 10 % verringert
  I_DC2: Strom, ab dem eine Eigenerwärmung der Drossel um 30 °C eintritt

Induktivität in Abhängigkeit von Frequenz und Stromstärke

Abbildung 4:

Inductance vs. frequency

Abbildung 5:

Inductance vs. DC current