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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
24.10.2011
Wrth Elektronik eiSos 2010
Markus Schubert
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Auswahl von Speicherdrosseln
24.10.2011
Wrth Elektronik eiSos 2010
Markus Schubert
3
Was ist eine Induktivitt ?technisch gesehen: ein Stck Draht um irgendwas gewickelt ein Filterelement ein (kurzzeit) Energiespeicher Bauformen:
24.10.2011
Wrth Elektronik eiSos 2010
Markus Schubert
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Das Magnetfeld magnetische Feldstrke
jeder stromdurchflossene Leiter erzeugt ein Magnetfeld Strom I
Feldlinienmodell
Magnetfeld H
24.10.2011
Wrth Elektronik eiSos 2010
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
Wrth Elektronik eiSos 2010
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
24.10.2011
Wrth Elektronik eiSos 2010
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
9
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
Wrth Elektronik eiSos 2010
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
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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
24.10.2011
Kernmaterial Einfgen eines LuftspaltesBLuft r = 1
H
H
-B
24.10.2011
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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
Wrth Elektronik eiSos 2010
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
24.10.2011
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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
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20
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
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Markus Schubert
21
Wie ist der Sttigungsstrom definiert ?
There is NO standard ....!
24.10.2011
Wrth Elektronik eiSos 2010
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
Wrth Elektronik eiSos 2010
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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
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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
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25
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
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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
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Wie ist der Nennsstrom definiert ?
There is NO standard ....!
24.10.2011
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Nennstrom(Rated Current) bedeutet einen maximalen Temperaturanstieg im Bauteil, wenn dieser Strom kontinuierlich durch dass Bauteil fliesst !
24.10.2011
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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
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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
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Streufeld: geschirmt vs. ungeschirmtunshielded shielded
24.10.2011
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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
Wrth Elektronik eiSos 2010
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 ?
24.10.2011
Wrth Elektronik eiSos 2010
Markus Schubert
36
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
Wrth Elektronik eiSos 2010
Markus Schubert
37
BerechnungBauteiltoleranz: 744066220 +/- 30% 28,6 H also bei 22H (6,6H) 15,4 H
Kleinere Induktivitt, grerer Rippelstrom !
24.10.2011
Wrth Elektronik eiSos 2010
Markus Schubert
38
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
Wrth Elektronik eiSos 2010
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
Wrth Elektronik eiSos 2010
Markus Schubert
40
Datenblattauszug 744066220
24.10.2011
Wrth Elektronik eiSos 2010
Markus Schubert
41
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
Wrth Elektronik eiSos 2010
Markus Schubert
42
WE-Inductor Selector
24.10.2011
Wrth Elektronik eiSos 2010
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
Wrth Elektronik eiSos 2010
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
Wrth Elektronik eiSos 2010
Markus Schubert
45
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
24.10.2011
Wrth Elektronik eiSos 2010
Markus Schubert
48
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
Wrth Elektronik eiSos 2010
ESR Frequenzabhngiger WiderstandEquivalent Series Resistance, Der Widerstand eines Bauteils im Stromkeis, welcher die Verluste bei steigender Frequenz darstellt.
24.10.2011
Wrth Elektronik eiSos 2010
Markus Schubert
50
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
51
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
Wrth Elektronik eiSos 2010
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
Wrth Elektronik eiSos 2010
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
Wrth Elektronik eiSos 2010
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
24.10.2011
Wrth Elektronik eiSos 2010
Markus Schubert
56
Kernmaterial MaterialeinsatzgebieteElektromagnetische Entstrung Speicherdrosseln
24.10.2011
Wrth Elektronik eiSos 2010
Markus Schubert
57
Vielen Dank!
24.10.2011
Wrth Elektronik eiSos 2010
Markus Schubert
58