Auswahl Speicherdrosseln für DC/DC Konverter

Transkript

1 1 Auswahl Speicherdrosseln für DC/DC Konverter Würth Elektronik 2011 Markus Schubert

2 2 Themen - Was ist eine Induktivität - Einsatzkriterien - Kernmaterialien - Verluste - Sättigungs- und Nennstrom - Sättigungsverhalten - geschirmt oder ungeschirmt - die richtige Wahl

3 3 Auswahl von Speicherdrosseln

4 4 Was ist eine Induktivität? technisch gesehen: ein Stück Draht um irgendwas gewickelt ein Filterelement ein (kurzzeit) Energiespeicher Bauformen:

5 5 Das Magnetfeld magnetische Feldstärke jeder stromdurchflossene Leiter erzeugt ein Magnetfeld Strom I Feldlinienmodell Magnetfeld H

6 6 Das Magnetfeld magnetische Feldstärke Feldlinienmodell Magnetfeld H N O R D S Ü D Strom I Magnetfeld H Strom I

7 7 Das Magnetfeld magnetische Feldstärke langer Draht R H I 2 R Die magnetische Feldstärke ist abhängig von: Geometrie Windungszahl Stromstärke Ringkern R H N I 2 R und NICHT vom MATERIAL! Stabkern H N I l l

8 8 Das Magnetfeld magnetische Feldstärke R average R average Strom I H 1 H 2 H 1 H 2 H 2 I R average B1? B2

9 9 Ferromagnetisches Material im Magnetfeld Induktion in Luft: B 0 H Induktion im Ferrit: B 0 r H lineare Funktion! nicht-lineare Funktion ( µ r!) Die relative Permeabilität ist u.a. ein frequenzabhängiger Parameter...

10 10 Was ist Permeabilität? Dauer Magnet Geordnet Ungeordnet Permeabilität (µr): Beschreibt die Fähigkeit, den magnetischen Fluss im Kernmaterial zu konzentrieren. Typische Permeabilitäten µr : Eisen Pulver / Superflux : 50 ~ 150 Nickel Zink : 40 ~ 150 Mangan Zink : 300 ~ 20000

11 µr Würth Elektronik eisos 2010 Markus Schubert 11 Temperaturabhängigkeit der Permeabilität Permeabilität vs. Temperatur % Curie-Temperatur (µr = 1 ) - 40% Temp. ( C)

12 Kernmaterial B-H-Kurve B Sättigung Remanenz -H neg. Koerzitiv Koerzitiv H neg. Remanenz Sättigung in neg. Richtung -B Würth Elektronik eisos 2010 Markus Schubert 12

13 Impedanz Würth Elektronik eisos 2010 Markus Schubert 13 Kernmaterial Induktivität (Speicher) 100% 90% 80% 70% 60% X L (Fe) X L (MnZn) X L (NiZn) 50% 40% 30% 20% 0-400kHz 0-10MHz 0-40MHz 10% 0% 0,01 0, f/mhz

14 Impedanz Würth Elektronik eisos 2010 Markus Schubert 14 Kernmaterial Drossel (Filter) 100% 90% 80% 70% 60% R (Fe) R (MnZn) R (NiZn) 50% 40% 30% 20% 10% 200kHz- 4MHz 3-60MHz MHz 0% 0,01 0, f/mhz

15 15 Kernmaterial Einfügen eines Luftspaltes B Luft µ r = 1 - H H - B

16 16 Induktivität mit Luftspalt Der Luftspalt: Wicklung Kernmaterial reduziert die Empfindlichkeit gegen DC-Vormagnetisierung reduziert die Permeabilität (somit benötigen wir mehr Windungen für die gleiche Induktivität) Luftspalt ermöglicht höhere Sättigung (Isat)

17 L (µh) Würth Elektronik eisos 2010 Markus Schubert 17 Harte und weiche Sättigung Induktivität vs. Strom (typ.) Inductance vs. Current (typ.) 11,00 10,00 9,00 8,00 WE-SI 7,00 6,00 WE-SD 5,00 4,00 3,00 2,00 WE-HCA 1,00 0, Current (A) WE-PD

18 18 Materialauswahl Speicherdrosseln und Trafos Welches Schaltregler-IC wird benutzt? Schaltfrequenz? Frequenz < 100 khz Eisenpulver MnZn Superflux NiZn WE-Perm Frequenz > 100 khz khz MnZn Superflux NiZn WE-Perm Frequenz > 1000 khz NiZn WE-Perm

19 19 Kernverluste: Steinmetz-Formel (WE-PD) P core k f a B b P/ V

20 Fehlerfaktor error factor Würth Elektronik eisos 2010 Markus Schubert 20 Fehler der Steinmetzformel vs. Duty Cycle 6 relativer Fehler Steinmetz Formel P core k f a B b ,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 Duty-Cycle

21 21 Verluste der Speicherdrossel P total P Cu P FE DC Wiederstand bei gleicher Baugröße größere Induktivität größerer RDC kleinere Induktivität kleinerer RDC gleiche Induktivität bei geschirmter Drosselkleinerer RDC Der RDC bestimmt maßgeblich die Drahrwärmeverluste, dies ist auch ein Parameter zur Minimierung der Verlustleistung der Speicherdrossel.

22 22 Wie ist der Sättigungsstrom definiert? There is NO standard...!

23 23 Sättigungsstrom: Datenblattangaben lesen! Sorgfältig im Kleingedruckten lesen! Sättigung bezieht sich immer nur auf einen gewissen Abfall der Induktivität! Und ist frei wählbar!

24 Induktivität L/Lo [ %] Würth Elektronik eisos 2010 Markus Schubert 24 Definition bei der Würth Elektronik: L= - 10% e.g. WE-PD XXL (Ni-Zn) Sättigungs-Strom I SAT [A]

25 25 Vergleich WE-PD-S 10µH vs. Marktbegleiten Marktbegleiter Definition Lo = 9uH Isat = 2,20 A 10% Drop Isat = 2,60 A 30% Drop!!!

26 26 Spitzenstrom der Speicherdrossel Praxiswerte Abwärtsregler (Buck Regulator): Spitzenstrom I peak = 1,5 x I out Aufwärtsregler (Boost-Regulator): Spitzenstrom I peak = 2 x I N Definition I N beachten => siehe Nennstrom-Abschnitt Praxiswerte

27 27 Induktivität und Ripplestrom Induktivitätswert größere Induktivität kleinerer Rippelstrom kleinere Induktivität größerer Rippelstrom Der Rippelstrom bestimmt maßgeblich die Kernverluste. daher ist er neben der Schaltfrequenz ein wichtiger Parameter zur Minimierung der Verlustleistung der Speicherdrossel (15μH) (33μH)

28 28 Wie ist der Nennsstrom definiert? There is NO standard...!

29 29 Nennstrom(Rated Current) bedeutet einen maximalen Temperaturanstieg im Bauteil, wenn dieser Strom kontinuierlich durch dass Bauteil fliesst!

30 Rated Current (%) Würth Elektronik eisos 2010 Markus Schubert 30 Umgebungstemperatur und Derating Derating of Rated Current vs Ambient Temperature Ambient Temperature ( C)

31 Kernmaterial Streufeld Einfluss des Luftspalts geschirmt ungeschirmt kleineres l eff größeres l eff Würth Elektronik eisos 2010 Markus Schubert 31

32 32 Streufeld: geschirmt vs. ungeschirmt

33 33 Streufeld: geschirmt vs. ungeschirmt unshielded shielded

34 34 A L Wert, Induktivität, Windungszahl A L Wert setzt sich zusammen aus der magnetisch wirksamen Länge und der vom magnetischen Fluss durchflossenen effektiven Fläche Vorteil magnetisch geschirmter Drosseln in gleicher Baugröße: höherer AL- Wert, dadurch bei gleicher Induktivität kleiner RDC = kleinere Drahtverluste L A L 2 N N L AL

35 35 Induktivitätswert beim Abwärtsregler (Buck) L U U in in U out 0,3 I U out f out 500KHz 24V 2A 12V Induktivitätswert wähle Normwerte! => Berechneter Wert ist nur ein Ausgangswert für weitere Bsp. Berechnug = 20,567µH wähle 18, 22, 27 µh Ripple-Current factor (0.2 ~ 0.5) Beeinflusst die Kernverluste

36 36 Berechnungsbeispiel: L L Uin ( U in 24V (24V U U out D ( U ) 0,3 out I U out 12V (12V 0,7V ) 0,7V ) 0,3 2A500kHz D f ) L= 20,567 µh Auswahl: 18µH; 22µH; 27µH Welche können sie auswählen, wenn die kleinste Bauform gesucht wird?

37 37 Berechnung Ist die WE-TPC XLH möglich? I nenn = 2,5A I sat = 2,3A Schaltungsdaten: f= 500kHz Uin = 24V Uout= 12V Iout = 2A Rippel = 30% I 0,6 I I Rippel 2A 2, 3A Peak out 2 2 gerade noch möglich, oder?

38 38 Berechnung Bauteiltoleranz: /- 30% also bei 22µH (6,6µH) 28,6 µh 15,4 µh Kleinere Induktivität, größerer Rippelstrom!

39 39 Berechnung der Einfluß der Induktivitätstoleranz auf den Rippelstrom: I I Rippel Rippel ( U in U ( U in out ) ( U U D ) out f U sw L Diode (24V 12V ) (12V 0,7V ) 0,801A (24V 0,7V ) 500kHz15,4µH )

40 40 Berechnung Peakstrom: wichtige Kontrolle! I 0,801 I I Rippel 2A 2, 40A Peak out 2 2 Die WE-TPC Reihe hat eine harte Sättigung. Bei 2,4A ist die Drossel nur noch bei ca. 50% ihrer Induktivität. Somit ist sie für diese Anwendung nicht geeignet!

41 41 Datenblattauszug

42 42 Weitere Auswahl Wir suchen eine Drossel, die bei ca. 3A noch nicht in Sättigung ist. I 1,5 I 1,5 2A 3A Peak out WE-PD L Isat= 4,30A Isat= 3,37A Isat= 2,97A

43 43 WE-Inductor Selector

44 44 Speicherdrossel Warum brauchen wir eine Speicherdrossel mit Flachdraht? (DCR & ACR) Welchen Unterschied gibt es zwischen WE-PDF & WE-PD Warum brauchen wir die WE-PDF, wenn wir schon die WE-HCx-Typen haben Ein Blick auf den Produktionsprozess Kosten! KernMaterial und Prüfbedingungen 150 C!

45 45 Verluste Eigenerwärmung Temperaturanstieg 20 C, 30 C, 40 C, 50 C Temperaturanstieg bedingt durch den Strom Kupfer- und Kernverlußte Abhängig von Draht und Kernmaterial

46 46 Verluste: Kupfer- und Kernverluste P total P Copper P Core Kupferverluste DC Verluste => nur vom DCR abhängig! AC Verluste => abhängig von Drahttyp und Wicklungsaufbau! Skin Effect Proximity Effect Kernverluste abhängig vom Kernmaterial! - Hysteresis Verluste - Wirbelstromverluste

47 Kupferverluste was wissen alle über DCR? 1. Annahme: Am leichtesten zu ändern? Querschnitt [A] P Copper nur DCR abhängig DCR l A A ρ = materialabhängiger Faktor l ρ 1. Ziel: Querschnitt vergrößern ( = dickerer Draht ) A DCR P V Je größer der Querschnitt, je kleiner der DCR, je kleiner die Verlustleistung. Verbesserungen / Ideen? Ø=1mm Ø=2mm 4x Ø=1mm 4x Ø=1mm 1mm x 4mm l=1mm A=0.75mm² A=3.14mm² A=3.14mm² A=3.14mm² A=4mm² DCR=22mΩ DCR=5.14mΩ DCR=5.14mΩ DCR=5.14mΩ DCR=4mΩ Größerer Durchmesser Mehrere Drähte Mehrere Dräte Flachdraht (gefülltes Fenster) Würth Elektronik eisos 2010 Markus Schubert 47

48 48 Kupferverluste Frequenzabhängigkeit 2. Annahme: P Copper Abhängig vom ACR Blau: stromtragender Bereich Eindringtiefe Gelb: Bereich ohne Strom ungenutzt!!! 0.1kHz 1kHz 400kHz frequency increase f ACR Je höher die Frequenz, je höher der frequenzabhängige Widerstand

49 49 Kupferverluste Frequenzabhängigkeit Proximity effect : Proximity Effekt : nur ein schmaler Bereich des verbleibenden Querschnitts (Skin-Effekt) steht durch die magn. Verdrängung noch für den Stromfluss zur Verfügung entspricht der Erhöhung des DCR höhere Kupferverluste für höhere Schaltfrequenzen f P V

50 50 ESR Frequenzabhängiger Widerstand Equivalent Series Resistance, Der Widerstand eines Bauteils im Stromkeis, welcher die Verluste bei steigender Frequenz darstellt.

51 51 Verluste - Skin Effekt / Proximity Effekt Vergleich: Flachdraht VS. Runddraht 10mm 1mm 1,78 mm Querschnitt Flachdraht und Runddraht: 10mm 2 aber: Flachdraht hat eine grössere Oberfläche A flat =1,2 x A round und: Strom mit hoher Frequenz nutzt ausschlieslich die Oberfläche Skin effect Tatsache ist: ACR f A R( ) + DCR P V 2. Ziel: vergrößern der Oberfläche ( Ändern des Drahttyps )

52 52 Vergleich WE-PD WE-PDF Ø=1mm 1mm x 4mm A=0.75mm² DCR=22mΩ A=4mm² DCR=4mΩ Freier Platz auf dem Kern hoher AC Widerstand Gefülltes Wickelfenster auf dem Kern kleinerer AC Widerstand Bessere Einsatzmöglichkeiten Der Unterschied ist von außen nicht sichtbar (Schirmring)

53 53 Drahtbefestigung am Lötpad WE-PD WE-PDF Der Draht ist auf das Pad gelötet Der Draht ist mit dem Pad verschweißt größere Haltbarkeit bessere Zuverlässigkeit

54 54 Einsatz in Hochtemperaturanwendungen WE-PDF Betriebstemperatur (Eigenerwärmung + Umgebungstemperatur) -40 C to +150 C (WE-PD -40 C/+125 C) möglicher Einsatz in Industrie- und Automotivanwendungen aber keine AECQ 200 Zulassung!!!

55 Neue Baureihe WE-PDF Größe 10x10x6.4 - bis zu 30µH - Isat 20% höher und Irms ~ 30% höher im Vergleich zu 10x10x4.5mm - verbesserter DCR (bis zu 50% kleiner) WE-PDF1045 Isat based on -10% drop off Irms based on 40 C temp rise Würth Elektronik eisos 2010 Markus Schubert 55

56 56 Runddraht Flachd. WE-PDF Flachd. WE HCI Einsatzmöglichkeit (f) Preis Zuverlässigkeit low low medium high low - medium high very high high high

57 57 Kernmaterial Materialeinsatzgebiete Elektromagnetische Entstörung Speicherdrosseln

58 58 Vielen Dank!