Deutlich effizienter durch verbessertes Material und Geometrie

Die Effizienzsteigerung ist neben der Miniaturisierung mit das wichtigste Entwicklungsziel beim Design von Stromversorgungen. Jedes Zehntel Prozent zählt. Neben den Leistungshalbleitern sind es Ferritkerne, die für den Wirkungsgrad entscheidend sind. TDK hat ein neues Ferritmaterial und verbesserte Geometrien bei den Kernbauformen entwickelt.

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

Neue 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 sind für Frequenzen im MHz-Bereich nicht ausgelegt und zeigen hier höhere Verluste als bei niedrigen Frequenzen.

Neues Material PC200 bietet hohe Effizienz bei bis zu 4 MHz

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

Abbildung 1:

Bei einer Frequenz von rund 2 MHz bietet das neue MnZn-Ferritmaterial PC200 sein Leistungsoptimum. Damit eignet es sich sehr gut für Topologien von Stromversorgungen, die auf neuen Wide-Band-Gap-Halbleitern wie GaN und SiC basieren.

70 Prozent weniger Verluste durch verteilte Luftspalte

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

Abbildung 2:

Durch die gleichmäßige Verteilung der Luftspalte (rechts) kann die Verlustleistung (rote Bereiche) im Vergleich zur konventionellen Lösung mit nur einem Luftspalt (links) deutlich reduziert werden. Lösungen mit drei Luftspalten bieten das beste Preis-/Leistungsverhältnis beim Einsatz in Applikationen mit hohen Frequenzen.

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 (Abbildung 3) bieten das beste Preis-/Leistungsverhältnis für Anwendungen bei denen die 2- bis 3-fache Schaltfrequenz im Vergleich zur ursprünglichen Frequenz zum Einsatz kommt. Dabei lassen sich die Verluste um bis zu 70 Prozent reduzieren. Neben den Standardlösungen kann auch eine kundenspezifische Anzahl von Luftspalten realisiert werden.

Abbildung 3:

PM-Kern mit drei Luftspalten. Der zweite und dritte Spalt wird durch das symmetrische Gegenstück gebildet. Diese Version ist in den Größen 50 bis 114 verfügbar.

Dank des neuen TDK Ferritmaterials PC200 sowie der verbesserten Kerngeometrien lassen sich jetzt die Vorteile, die neue Halbleitertechnologien bieten, optimal nutzen. So werden die Forderungen nach höheren Wirkungsgraden bei gleichzeitiger Miniaturisierung erfüllt.