speicherdrossel seminar lear

Auswahl Speicherdrosseln fr DC/DC Konverter

Wrth Elektronik2011 Markus Schubert

24.10.2011

Wrth Elektronik eiSos 2010

Markus Schubert

1

Themen

- Was ist eine Induktivitt - Einsatzkriterien - Kernmaterialien - Verluste - Sttigungs- und Nennstrom - Sttigungsverhalten - geschirmt oder ungeschirmt - die richtige Wahl

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Markus Schubert

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Auswahl von Speicherdrosseln

24.10.2011


Markus Schubert

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Was ist eine Induktivitt ?technisch gesehen: ein Stck Draht um irgendwas gewickelt ein Filterelement ein (kurzzeit) Energiespeicher Bauformen:

24.10.2011


Markus Schubert

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Das Magnetfeld magnetische Feldstrke

jeder stromdurchflossene Leiter erzeugt ein Magnetfeld Strom I

Feldlinienmodell

Magnetfeld H

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Markus Schubert

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Das Magnetfeld magnetische FeldstrkeFeldlinienmodellMagnetfeld H

N O R D

S D

Strom I

Magnetfeld H

Strom I

24.10.2011


Markus Schubert

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Das Magnetfeld magnetische FeldstrkeDie magnetische Feldstrke ist abhngig von: Geometrie

langer Draht

HR

I 2 R

Windungszahl

Stromstrke

Ringkern

HR

N I 2 R

und

NICHT vom MATERIAL!

Stabkern

H

N I lMarkus Schubert 7

l24.10.2011 Wrth Elektronik eiSos 2010

Das Magnetfeld magnetische Feldstrke

Raverage

Raverage

Strom I

H1

H2

H1

H2

H

2

I Raverage

B1

?

B28

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Markus Schubert

Ferromagnetisches Material im Magnetfeld

Induktion in Luft:

Induktion im Ferrit:

B

0

H

B

0

r

H

lineare Funktion !

nicht-lineare Funktion ( r !)

Die relative Permeabilitt ist u.a. ein frequenzabhngiger Parameter ...24.10.2011 Wrth Elektronik eiSos 2010 Markus Schubert

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Was ist Permeabilitt ?

Dauer Magnet

Geordnet

Ungeordnet

Permeabilitt (r): Beschreibt die Fhigkeit, den magnetischen Fluss im Kernmaterial zu konzentrieren.Typische Permeabilitten r : Eisen Pulver / Superflux Nickel Zink Mangan Zink : 50 ~ 150 : 40 ~ 150 : 300 ~ 20000

24.10.2011


Markus Schubert

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Temperaturabhngigkeit der PermeabilittPermeabilitt vs. Temperatur1400

1200

1000

800

r

+ 40% - 40%

620600

Curie-Temperatur (r = 1 )

400

200

0 -50 23 50 85 125 150 160 250 Temp. (C)

24.10.2011


Markus Schubert

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Kernmaterial B-H-KurveBSttigung

Remanenz

-H

neg. Koerzitiv

Koerzitiv

H

neg. Remanenz

Sttigung in neg. Richtung24.10.2011

-BWrth Elektronik eiSos 2010 Markus Schubert 12

Kernmaterial Induktivitt (Speicher)100% 90% 80% 70%Impedanz

60%

XL(Fe)50% 40% 30% 20% 10% 0% 0,01

XL(MnZn)

XL(NiZn)

0-400kHz

0-10MHz

0-40MHz

f/MHz

0,1

1Wrth Elektronik eiSos 2010

10Markus Schubert

100

100013

24.10.2011

Kernmaterial Drossel (Filter)100% 90% 80% 70%Impedanz

60%

R (Fe)50% 40% 30% 20% 10% 0% 0,01

R (MnZn)

R (NiZn)

200kHz4MHz

3-60MHz

202000MHz

f/MHz

0,1

1Wrth Elektronik eiSos 2010

10Markus Schubert

100

100014

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Kernmaterial Einfgen eines LuftspaltesBLuft r = 1

H

H

-B

24.10.2011


Markus Schubert

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Induktivitt mit LuftspaltDer Luftspalt: reduziert die Empfindlichkeit gegen DC-Vormagnetisierung

KernmaterialWicklung

reduziert die Permeabilitt (somit bentigen wir mehr Windungen fr die gleiche Induktivitt)

Luftspalt24.10.2011 Wrth Elektronik eiSos 2010

ermglicht hhere Sttigung (Isat)Markus Schubert 16

Harte und weiche SttigungInduktivitt vs. Strom (typ.) Inductance vs. Current (typ.)11,00 10,00 9,00 8,00 7,00

WE-SI

L (H)

6,00 5,00 4,00 3,00 2,00 1,00 0,00 0 2 4 6 8 Current (A) 10 12 14

WE-SD

WE-HCA

WE-PDMarkus Schubert 17

24.10.2011


Materialauswahl Speicherdrosseln und TrafosWelches Schaltregler-IC wird benutzt ? Schaltfrequenz ?

Frequenz < 100 kHz

Frequenz > 100 kHz.. 1000 kHz

Eisenpulver MnZn Superflux NiZn WE-Perm

MnZn Superflux NiZn WE-Perm

Frequenz > 1000 kHzNiZn

WE-Perm24.10.2011 Wrth Elektronik eiSos 2010 Markus Schubert 18

Kernverluste: Steinmetz-Formel (WE-PD)PcoreP/V

b k f B

a

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Markus Schubert

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Fehler der Steinmetzformel vs. Duty Cyclerelativer Fehler Steinmetz Formel

Pcore6 5

b k f B

a

Fehlerfaktor error factor

4 3 2 1 0 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 Duty-Cycle

24.10.2011


Markus Schubert

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Verluste der Speicherdrossel

Ptotal

PCu

PFE

DC Wiederstand bei gleicher Baugre grere Induktivitt grerer RDC kleinere Induktivitt kleinerer RDC gleiche Induktivitt bei geschirmter Drosselkleinerer RDC Der RDC bestimmt mageblich die Drahrwrmeverluste, dies ist auch ein Parameter zur Minimierung der Verlustleistung der Speicherdrossel.

24.10.2011


Markus Schubert

21

Wie ist der Sttigungsstrom definiert ?

There is NO standard ....!

24.10.2011


Markus Schubert

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Sttigungsstrom: Datenblattangaben lesen!Sorgfltig im Kleingedruckten lesen ! Sttigung bezieht sich immer nur auf einen gewissen Abfall der Induktivitt ! Und ist frei whlbar !

24.10.2011


Markus Schubert

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Definition bei der Wrth Elektronik:110 100 90

L= - 10%

Induktivitt L/Lo [ %]

80 70 60 50 40 30 20 10 0 0 5 10 15 20 25 30 35

e.g. WE-PD XXL (Ni-Zn)

ISAT [A]

Sttigungs-Strom

24.10.2011


Markus Schubert

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Vergleich WE-PD-S 10H vs. Marktbegleiten

Marktbegleiter Definition

Lo = 9uH

Isat = 2,20 A10% Drop

Isat = 2,60 A30% Drop !!!

24.10.2011


Markus Schubert

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Spitzenstrom der Speicherdrossel Praxiswerte

Abwrtsregler (Buck Regulator): Spitzenstrom Ipeak = 1,5 x Iout Aufwrtsregler (Boost-Regulator): Spitzenstrom Ipeak = 2 x INDefinition IN beachten => siehe Nennstrom-Abschnitt Praxiswerte

24.10.2011


Markus Schubert

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Induktivitt und Ripplestrom Induktivittswert grere Induktivitt kleinerer Rippelstrom kleinere Induktivitt grerer RippelstromDer Rippelstrom bestimmt mageblich die Kernverluste. daher ist er neben der Schaltfrequenz ein wichtiger Parameter zur Minimierung der Verlustleistung der Speicherdrossel.74451115 (15H) 74451133 (33H)

24.10.2011


Markus Schubert

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Wie ist der Nennsstrom definiert ?

There is NO standard ....!

24.10.2011


Markus Schubert

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

24.10.2011


Markus Schubert

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Umgebungstemperatur und DeratingDerating of Rated Current vs Ambient Temperature120 100

Rated Current (%)

80 60 40 20 0 -40 -20 0 20 40 60 80 100 120 Ambient Temperature (C)

24.10.2011


Markus Schubert

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Kernmaterial Streufeld Einfluss des Luftspaltsgeschirmt ungeschirmt

kleineres leff24.10.2011 Wrth Elektronik eiSos 2010

greres leffMarkus Schubert 31

Streufeld: geschirmt vs. ungeschirmt

24.10.2011


Markus Schubert

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Streufeld: geschirmt vs. ungeschirmtunshielded shielded

24.10.2011


Markus Schubert

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AL Wert, Induktivitt, WindungszahlAL Wert setzt sich zusammen aus der magnetisch wirksamen Lnge und der vom magnetischen Fluss durchflossenen effektiven FlcheVorteil magnetisch geschirmter Drosseln in gleicher Baugre: hherer AL- Wert, dadurch bei gleicher Induktivitt kleiner RDC = kleinere Drahtverluste

AL24.10.2011

L 2 NWrth Elektronik eiSos 2010

NMarkus Schubert

L

A

L34

Induktivittswert beim Abwrtsregler (Buck)

U in U out U out L U in 0,3 I out f Induktivittswert whle Normwerte !

500KHz 24V 2A 12V

=> Berechneter Wert ist nur ein Ausgangswert fr weitere Bsp. Berechnug = 20,567H whle 18, 22, 27 H

Ripple-Current factor (0.2 ~ 0.5) Beeinflusst die Kernverluste

24.10.2011


Markus Schubert

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Berechnungsbeispiel:

L L

U U (U Uin in

out D

(U out U D )

) 0,3

I

out

f

24V 12V (12V 0,7V ) (24V 0,7V ) 0,3 2 A 500 kHzL= 20,567 HAuswahl: 18H; 22H; 27H

Welche knnen sie auswhlen, wenn die kleinste Bauform gesucht wird ?

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Markus Schubert

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BerechnungIst die WE-TPC XLH 744066220 mglich? Inenn= 2,5A Isat = 2,3ASchaltungsdaten: f= 500kHz Uin = 24V Uout= 12V Iout = 2A Rippel = 30%

I Peak

I out

I Rippel 2

0,6 2A 2

2,3 A

gerade noch mglich, oder ?

24.10.2011


Markus Schubert

37

BerechnungBauteiltoleranz: 744066220 +/- 30% 28,6 H also bei 22H (6,6H) 15,4 H

Kleinere Induktivitt, grerer Rippelstrom !

24.10.2011


Markus Schubert

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Berechnungder Einflu der Induktivittstoleranz auf den Rippelstrom:

I Rippel I Rippel

(U in U out ) (U out U Diode ) (U in U D ) f sw L (24V 12V ) (12V 0,7V ) (24V 0,7V ) 500 kHz 15,4H 0,801 A

24.10.2011


Markus Schubert

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BerechnungPeakstrom: wichtige Kontrolle!

I Peak

I out

I Rippel 2

0,801 2A 2

2,40 A

Die WE-TPC Reihe hat eine harte Sttigung. Bei 2,4A ist die Drossel nur noch bei ca. 50% ihrer Induktivitt. Somit ist sie fr diese Anwendung nicht geeignet!

24.10.2011


Markus Schubert

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Datenblattauszug 744066220

24.10.2011


Markus Schubert

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Weitere AuswahlWir suchen eine Drossel, die bei ca. 3A noch nicht in Sttigung ist.

I Peak 1,5 I out 1,5 2 A 3 AWE-PD L 744771118 Isat= 4,30A 744771122 Isat= 3,37A 744771127 Isat= 2,97A

24.10.2011


Markus Schubert

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WE-Inductor Selector

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Markus Schubert

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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 Prfbedingungen 150C!

24.10.2011


Markus Schubert

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Verluste Eigenerwrmung

Temperaturanstieg 20 C, 30 C, 40 C, 50 C

Temperaturanstieg bedingt durch den Strom

Kupfer- und Kernverlute

Abhngig von Draht und Kernmaterial

24.10.2011


Markus Schubert

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Verluste: Kupfer- und Kernverluste

Ptotal

PCopper PCore

Kupferverluste DC Verluste => nur vom DCR abhngig ! AC Verluste => abhngig von Drahttyp und Wicklungsaufbau ! Skin Effect Proximity Effect Kernverluste abhngig vom Kernmaterial! - Hysteresis Verluste - Wirbelstromverluste24.10.2011 Wrth Elektronik eiSos 2010 Markus Schubert 46

Kupferverluste was wissen alle ber DCR? 1. Annahme:

PCopper

lnur DCR abhngig

DCRAm leichtesten zu ndern? Querschnitt [A]

l A

A

= materialabhngiger Faktor

1. Ziel: Querschnitt vergrern ( = dickerer Draht )

A Verbesserungen / Ideen?=1mm =2mm

DCR

PV

Je grer der Querschnitt, je kleiner der DCR, je kleiner die Verlustleistung.

4x =1mm

4x =1mm

1mm x 4mm

l=1mm24.10.2011

A=0.75mmDCR=22m

A=3.14mmDCR=5.14m Grerer Durchmesser

A=3.14mmDCR=5.14m Mehrere DrhteWrth Elektronik eiSos 2010

A=3.14mmDCR=5.14m Mehrere DrteMarkus Schubert

A=4mmDCR=4m Flachdraht (geflltes Fenster)47

Kupferverluste Frequenzabhngigkeit2. Annahme:

PCopper

Abhngig vom ACR

Blau: stromtragender Bereich Eindringtiefe Gelb: Bereich ohne Strom ungenutzt !!!0.1kHz 1kHz 400kHz frequency increase

f

ACR

Je hher die Frequenz, je hher der frequenzabhngige Widerstand

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Markus Schubert

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Kupferverluste FrequenzabhngigkeitProximity effect :

Proximity Effekt : nur ein schmaler Bereich des verbleibenden Querschnitts (Skin-Effekt) steht durch die magn. Verdrngung noch fr den Stromfluss zur Verfgung entspricht der Erhhung des DCR hhere Kupferverluste fr hhere Schaltfrequenzen

f24.10.2011

PVMarkus Schubert 49


ESR Frequenzabhngiger WiderstandEquivalent Series Resistance, Der Widerstand eines Bauteils im Stromkeis, welcher die Verluste bei steigender Frequenz darstellt.

24.10.2011


Markus Schubert

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Verluste - Skin Effekt / Proximity EffektVergleich: Flachdraht 10mm 1mm VS. Runddraht 1,78 mm

Querschnitt Flachdraht und Runddraht: 10mm

2

aber: Flachdraht hat eine grssere Oberflche Aflat =1,2 x Around und: Strom mit hoher Frequenz nutzt ausschlieslich die Oberflche Tatsache ist: Skin effect

f

A

R( )ACR + DCR

PV

2. Ziel: vergrern der Oberflche ( ndern des Drahttyps )24.10.2011 Wrth Elektronik eiSos 2010 Markus Schubert

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Vergleich WE-PD=1mm

WE-PDF1mm x 4mm

A=0.75mm DCR=22m

A=4mm DCR=4m

Freier Platz auf dem Kern hoher AC Widerstand

Geflltes Wickelfenster auf dem Kern kleinerer AC Widerstand Bessere Einsatzmglichkeiten

Der Unterschied ist von auen nicht sichtbar (Schirmring)24.10.2011 Wrth Elektronik eiSos 2010 Markus Schubert 52

Drahtbefestigung am Ltpad WE-PD WE-PDF

Der Draht ist auf das Pad geltet

Der Draht ist mit dem Pad verschweit grere Haltbarkeit bessere Zuverlssigkeit

24.10.2011


Markus Schubert

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Einsatz in Hochtemperaturanwendungen WE-PDF

Betriebstemperatur (Eigenerwrmung + Umgebungstemperatur)

-40 C to +150 C

(WE-PD -40 C/+125 C)

mglicher Einsatz in Industrie- und Automotivanwendungen aber keine AECQ 200 Zulassung !!!

24.10.2011


Markus Schubert

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Neue Baureihe WE-PDF 1064-Gre 10x10x6.4

- bis zu 30H- Isat 20% hher und Irms ~ 30% hher im Vergleich zu 10x10x4.5mm - verbesserter DCR (bis zu 50% kleiner)

1045

1064WE-PDF1045

Isat based on -10% drop off

Irms based on 40 C temp rise

24.10.2011


Markus Schubert

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Runddraht Einsatzmglichkeit (f) low Preis low Zuverlssigkeit medium

Flachd. WE-PDF

Flachd. WE HCI

high low - medium high

very high high high

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Markus Schubert

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Kernmaterial MaterialeinsatzgebieteElektromagnetische Entstrung Speicherdrosseln

24.10.2011


Markus Schubert

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Vielen Dank!

24.10.2011


Markus Schubert

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speicherdrossel seminar lear

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