Leistungsdrosseln: Mehr Leistung durch neue Materialien und Fertigungstechniken

Von den drei passiven Bauelementen in elektronischen Schaltkreisen, Widerständen, Kondensatoren und Induktivitäten, ist letztere wahrscheinlich die prinzipiell seltsamste. Die Induktivität wurde in den 1830er Jahren von Michael Faraday entdeckt, der feststellte, dass ein sich änderndes Magnetfeld einen elektrischen Strom induzieren kann, und von Joseph Henry, der unabhängig davon die „Selbstinduktion untersuchte,“ wobei ein Leiter in sich selbst Strom induziert.

Bis zum besseren Verständnis der Elektromagnetik war es ein Rätsel, wie das bloße Formen von Draht zu einer Spule seine elektrischen Eigenschaften verändern konnte. In den Anfängen des Radios bauten Heimwerker Kristallradios mit einer Abstimmspule, die aus Dutzenden von Drahtwindungen auf einem Stab oder einer Pappröhre von nur wenigen Zentimetern Länge bestand.

Das schematische Symbol für die Drosselspule (Induktivität) basiert auf ihrem physischen Aussehen (Abbildung 1). Zu den Optionen gehören Luftkern-, Eisenkern- und variable Induktivitäten.

Abbildung 1: Induktivitäten (rechts) bestanden ursprünglich aus Draht, der um einen Luft- oder Eisenkern gewickelt war; die entsprechenden schematischen Symbole (links) sind abgebildet. (Bildquelle: Hackatronic.com)

Die Induktivität ist die Eigenschaft eines Leiters, die aufgrund seines Magnetfelds dazu neigt, sich Änderungen des durch ihn fließenden Stroms entgegenzusetzen. Aus diesem Grund werden Induktivitäten manchmal auch als Drosseln bezeichnet, da sie Änderungen im Stromfluss „drosseln“. Die Beziehung zwischen Induktivität (L), Spannung (V) und der Änderungsrate des Stroms (I) wird durch eine einfache Gleichung ausgedrückt: V = L (dI/dt).

Obwohl sie immer noch weit verbreitet sind, eignen sich gewickelte Spulen nicht für viele der heutigen Schaltungen. Sie können zu groß sein, nicht die erforderlichen Werte liefern, unerwünschte Parasiten aufweisen, einen zu hohen Gleichstromwiderstand (DCR) haben und bei höheren Frequenzen Leistungseinbußen zeigen. Im Gegensatz zu den Tagen der frühen Selbstbau-Radio-Enthusiasten ist es heute möglich, handelsübliche drahtgewickelte Induktivitäten für Hochfrequenz(HF)-Anwendungen zu kaufen, die weniger als 1 Millimeter im Quadrat (mm²) groß sind.

Moderne Induktivitäten für Leistungswandler

Zwar haben Induktivitäten einen langen Weg hinter sich, doch selbst verbesserte drahtbasierte Versionen sind in Bezug auf Leistung und Größe für moderne Schaltungen unzureichend. Moderne Leistungsdrosseln sind Präzisionsbauteile, die sorgfältig modelliert und für alle primären und sekundären Parameter vollständig spezifiziert werden, wobei die Eigenschaften für verschiedene Anwendungsprioritäten optimiert werden.

Darüber hinaus haben die Hersteller neue Materialien entwickelt, um den unterschiedlichen Anforderungen von Schaltleistungstopologien gerecht zu werden, wie z. B. dem referenzbezogenen Primärdrosselwandler (SEPIC), dem Cuk (benannt nach seinem Erfinder, Slobodan Ćuk) und verschiedenen Buck-Boost-Konfigurationen.

Die meisten von ihnen verwenden fortschrittliche Ferrit- und pulverbasierte Materialien mit sorgfältig zugeschnittenen Eigenschaften. Diese Drosseln bieten einen extrem niedrigen DCR-Wert, der die Güte der Drossel erheblich steigert (eine Standardkennzahl für die Leistung von Drosseln), sowie einen geringen Induktivitätsabfall. Letzteres ist ein Maß dafür, wie die tatsächliche Induktivität aufgrund der Sättigung des Magnetkerns mit zunehmendem Gleichstrom abnimmt oder „abrollt“. Sie ist in etwa vergleichbar mit der Abschwächung der Frequenzantwort eines Filters gegenüber der Frequenz.

Induktivitäten, die in Stromversorgungen verwendet werden, müssen oft auch relativ hohe Strombelastbarkeiten aufweisen, in der Regel im zweistelligen Amperebereich. Dieser Parameter wird nicht durch einen einzigen Wert definiert, sondern durch mehrere Werte, wie den Effektivstrom (I_eff), den Spitzenstrom (I_spitze) und den Sättigungsstrom (I_sat). Die Hersteller bieten Induktivitäten mit verschiedenen Kombinationen von Nennströmen und anderen Spitzenparametern an, um die Prioritäten verschiedener Topologien zu erfüllen.

Die Hersteller haben auch moderne Materialien und SMT-Technologien (Abbildung 2) entwickelt, die der damit verbundenen Hitze ohne Performance- oder Zuverlässigkeitsverlust standhalten können. Abgeschirmte Versionen helfen, Probleme mit HF-Interferenzen (RFI) in empfindlichen Anwendungen zu minimieren.

Abbildung 2: SMT-Hochleistungsdrosseln sind jetzt in einer Vielzahl von überraschend kleinen Größen erhältlich, ohne Performanceeinbußen. (Bildquelle: Eaton)

Die Bandbreite an Fortschritten und Differenzierungen unter diesen umrichteroptimierten Induktivitäten zeigt sich in den HCM/HPAL-Spritzgussdrosselfamilien der Eaton-Electronics Division. Beide Familien verwenden moderne Induktionsmaterialien für Robustheit, hohe Ströme und niedrige EMI, während ihre gegossene Konstruktion einen weichen Induktivitätsabfall über eine große Bandbreite von Stromstärken bietet.

Die Komponenten der HCM- und HPAL-Serien sind in verschiedenen Größen erhältlich und bleiben dabei relativ klein.

Um Zuverlässigkeit und Robustheit zu gewährleisten, liegt die Nennbetriebstemperatur der HCM/HPAL-Komponenten bei -55 °C bis 125 °C (Umgebungstemperatur plus Eigenerwärmung), und sie enthalten ein Rostschutzmittel, um Oberflächenrost durch feuchte Umgebungen zu verhindern (Moisture Sensitivity Level (MSL) 1).

Die HCM-Familie verwendet ein Pulver aus gepresstem Eisen für einen überragenden I_sat, wie zwei repräsentative Komponenten zeigen, die HCM0503V2-R68-R und die HCM0503V2-4R7-R. Die HCM0503V2-R68-R ist eine ungeschirmte Spule mit 680 Nanohenry (nH) und 8 Milliohm (mΩ) DCR für den Betrieb bei bis zu 1 Megahertz (MHz). Sie misst nur 5,7 × 5,4 × 3,0 mm und verfügt über Stromstärken von 10 Ampere (A) (I_eff)/12 A (I_sat). Der HCM0503V2-4R7-R hat die gleiche Gehäusegröße, eignet sich aber, wenn eine höhere Induktivität erforderlich ist. Es handelt sich um eine ungeschirmte Komponente mit 4,7 µH und 47 mΩ, die für 4,1 A (I_eff)/6 A (I_sat) ausgelegt ist.

Im Gegensatz dazu verwenden HPAL-Induktivitäten Legierungspulver, um einen niedrigeren DCR und einen höheren I_eff zu erreichen und gleichzeitig die Kernverluste niedrig zu halten. Die Induktivitäten dieser Familie, die von 0,15 μH bis 10 μH und von 4,5 A bis 40 A reichen, verfügen über eine elektromagnetische Abschirmung (EMI), die bei einigen Anwendungen von entscheidender Bedeutung ist. Zu den Beispielen gehören die HPAL1V0630-R47-R, eine Drosselspule mit 470 nH und 4,1 mΩ für 18 A (I_eff) und 20 A (I_sat), und die HPAL1V0630-8R2-R, eine Drosselspule mit 8,2 µH und 55 mΩ für 5 A (I_eff) und 5,5 A (I_sat).

Das Diagramm in Abbildung 3 zeigt die Roll-off-Beziehung zwischen Nenninduktivität, Gleichstrom und Temperatur für die Induktivität HPAL1V0630-8R2-R.

Abbildung 3: Die Abbildung zeigt den Roll-Off (Abschwächung) und die damit verbundenen Eigenschaften der Induktivität HPAL1V0630-8R2-R. (Bildquelle: Eaton)

Fazit

Durch die Verwendung moderner Materialien, Fertigungstechniken und Gehäuse haben sich die heutigen Induktivitäten gegenüber ihren Vorgängern mit gewickelten Spulen weit entwickelt. Sie bieten eine hohe Packungsdichte in kleinen SMT-Gehäusen, eine breite Palette von Induktivitäten und Nennströmen mit geringem Widerstand und viele andere Eigenschaften, die für anspruchsvolle, leistungsstarke, effiziente und kompakte Stromversorgungen und -wandler benötigt werden.