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Spulenkerne für kleinere, leisere und zuverlässigere Stromversorgungen

| Autor / Redakteur: Patrik Kalbermatten * / Thomas Kuther

Technische Verbundkerne ermöglichen den Herstellern von Induktivitäten, Drosseln und Spulen, eine hohe Induktivität auf kleinem Raum zu erzielen. Die FlakeComposite-Technologie verleiht zusätzliche mechanische Belastbarkeit, um flache Induktivitäten zu ermöglichen.

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Klein aber fein: FlakeComposite-Kerne ermöglichen optimierte Induktivitätskerne für kleinere Leistungswandler.
Klein aber fein: FlakeComposite-Kerne ermöglichen optimierte Induktivitätskerne für kleinere Leistungswandler.
(Bild: Kemet)

Leistungsinduktivitäten sind wichtige Bauelemente zur Steuerung des Energieflusses in Schaltwandlern, um eine reibungslose Leistungsabgabe zu gewährleisten und die Kommutierung zu koordinieren. Der Induktivitätswert wird so gewählt, dass genügend Energie gespeichert wird, damit der Strom lange genug fließt, um den Stromkreis bei ausgeschaltetem Hauptschalter korrekt zu betreiben.

Während der Induktivitätswert je nach Wandler unterschiedlich berechnet wird, ist zur Unterstützung des CCM- (Continuous Current Mode), DCM- (Discontinuous Current Mode) oder Resonanzbetriebs ein hoher Induktivitätswert im Verhältnis zur Größe für einen gegebenen Nennstrom wünschenswert. Eine stabile Leistungsfähigkeit innerhalb des vorgesehenen Frequenzbereichs ist ebenfalls erforderlich, während für Anwendungen wie Automobilelektronik und Luft-/Raumfahrttechnik auch Temperaturstabilität und eine hohe maximale Betriebstemperatur gefragt sind.

Induktivitäten bis an ihre Grenzen entwickeln

Die Eigenschaften einer Induktivität sind durch die Gesetze der Physik begrenzt. Eine sorgfältige Entwicklung des Kernmaterials hilft, diese Einschränkungen so weit wie möglich zu verschieben, damit Entwickler die bestmögliche Kombination von Parametern für ihre Anwendung erhalten. Zu den gebräuchlichen Kernmaterialien zählen Mangan-Zink- (MnZn) und Nickel-Zink-(NiZn-)Ferrite sowie Metallpulverkerne, die Körner einer speziell formulierten Legierung enthalten, die durch ein isolierendes Bindemittel getrennt sind. Dünnfilm-Induktivitäten lassen sich auch durch Abscheiden kobaltbasierter Legierungen herstellen und erreichen eine hohe Permeabilität bei guter Sättigungsleistung, obwohl es schwierig ist, das Kernvolumen für Leistungsanwendungen zu erhöhen.

Ferritkerne weisen eine hohe Permeabilität auf, bis etwa 300 für NiZn-Materialien und noch höher für MnZn, obwohl es einige Nachteile gibt. Die Materialien sind in der Regel spröde und eignen sich daher nicht zum Einbetten in Leiterplatten oder für niedrige Bauhöhen wie Induktivitäten für planar-lateralem Fluss. Darüber hinaus kann es zu einer plötzlichen Sättigung kommen, die mit zunehmender Gleichstromvorspannung (DC-Bias) zu einem starken Abfall der Induktivität führt.

Bezüglich der Pulverkerne enthalten die gängigsten Legierungen Eisen-Silizium (FeSi) oder Eisen-Silizium-Aluminium (FeSiAl) und andere Zusammensetzungen wie amorphes Eisen und Permalloy. Aufgrund ihrer partikelbasierten Struktur weisen diese Kerne mit verteiltem Luftspalt eine weichere Sättigungscharakteristik auf als Ferrit-Induktivitäten, die weniger empfindlich auf kleine Verschiebungen der DC-Bias-Spannung reagieren. Andererseits ist die Permeabilität um eine Größenordnung geringer als bei Ferriten, und das organische Bindemittel toleriert keine hohen Betriebstemperaturen.

Eine neue Metal-Flake-Verdichtungstechnik (Metallflocken) ermöglicht jetzt die Herstellung eines Kernmaterials mit verteiltem Luftspalt, dessen Permeabilität der von NiZn-Ferrit entspricht und dessen weiche Sättigungseigenschaft mit der herkömmlicher Pulverkerne vergleichbar ist. Darüber hinaus bietet diese neue Klasse von FlakeComposite-Kernen eine höhere Temperaturstabilität, eine höhere maximale Betriebstemperatur und mechanische Flexibilität. Mit dieser erhöhten Flexibilität bietet sich nicht nur die Möglichkeit, Induktivitäten mit extrem niedriger Bauhöhe herzustellen, sondern auch robuste Induktivitäten in die Leiterplatte einzubetten, um Platz zu sparen und die Möglichkeiten für neuartige Induktivitäten (für lateralen Fluss) zu erkunden, die mit aktiven Bauelementen zusammen in kommende Leistungswandler integriert werden.

Bild 1: FlakeComposite bietet eine mit Ferrit vergleichbare Permeabilität sowie eine hervorragende Sättigungsleistung.
Bild 1: FlakeComposite bietet eine mit Ferrit vergleichbare Permeabilität sowie eine hervorragende Sättigungsleistung.
(Bild: Kemet)

Vergleich der verschiedenen Eigenschaften

Bild 1 zeigt die wichtigsten Permeabilitäts- und Sättigungseigenschaften des FlakeComposite-Kernmaterials in Bezug auf Ferrit-, Pulver- und Dünnfilmkerne.

Es ist bekannt, dass Ferritmaterialien bei hohen Frequenzen, Temperaturen oder DC-Bias-Strömen an Permeabilität verlieren, was zu einer schnellen Verringerung des Induktivitätswerts und damit zu einer Beeinträchtigung der Leistungsfähigkeit führt. Um sicherzugehen, dass Induktivitäten mit FlakeComposite-Kern mindestens genauso leistungsfähig sind wie Ferrit-Induktivitäten, wird die Frequenz-, Temperatur- und DC-Bias-Leistungsfähigkeit verglichen.

Bild 2: FlakeComposite bietet eine mit NiZn-Ferrit vergleichbare Leistungsfähigkeit für Leistungselektronik bis zu MHz-Frequenzen.
Bild 2: FlakeComposite bietet eine mit NiZn-Ferrit vergleichbare Leistungsfähigkeit für Leistungselektronik bis zu MHz-Frequenzen.
(Bild: Kemet)

Bild 2 vergleicht die Frequenzdispersion der komplexen Permeabilität von FlakeComposite gegenüber NiZn-Ferrit. Die Diagramme für beide Materialien zeigen, dass die Permeabilität oberhalb von etwa 6 MHz schnell abnimmt, d.h. FlakeComposite eignet sich in Schaltwandlern mit einem Betrieb bis 1 MHz genauso gut oder besser als NiZn. Beim Vergleich der magnetischen Sättigungseigenschaften profitiert FlakeComposite von einem weicheren Sättigungsbeginn im Vergleich zu NiZn-Ferrit sowie von einer geringeren Temperaturabhängigkeit (Bild 3).

Bild 4 vergleicht die DC-Bias-Leistungsfähigkeit von FlakeComposite und NiZn-Ferrit mit herkömmlichem Metallverbundwerkstoff (Pulver). FlakeComposite kombiniert die Stärken beider Typen und weist die vergleichsweise überlegene Permeabilität wie NiZn bei niedriger Vorspannung auf, während eine höhere Permeabilität bei hoher Vorspannung mit einer minimalen Temperaturabhängigkeit einhergeht.

Bild 3: Die magnetische Sättigungskurve ist im Vergleich zu NiZn-Ferrit weicher und weniger temperaturabhängig.
Bild 3: Die magnetische Sättigungskurve ist im Vergleich zu NiZn-Ferrit weicher und weniger temperaturabhängig.
(Bild: Kemet)

Erreicht die Betriebstemperatur der Induktivität die Curie-Temperatur des Kernmaterials, bei der der Kern seine magnetischen Eigenschaften verliert, sinkt die Kernpermeabilität schnell, was zu einem raschen Verlust der Induktivität führt. Wie Bild 5 zeigt, hat FlakeComposite auch eine höhere Curie-Temperatur als typische NiZn- oder MnZn-Ferrite.

Flachere Induktivitäten verringern den Platzbedarf

In Rahmen der laufenden Bemühungen, den Platzbedarf von Leistungswandlermodulen wie PoL-Wandlern (Point-of-Load) zu verringern, wurden neue Designs vorgeschlagen, die aktive und passive Bauelemente integrieren. Diese verwenden planare Induktivitäten, die speziell für einen lateralen Fluss ausgelegt sind – im Gegensatz zu den herkömmlichen vertikalen Flussmustern, wie sie bisher für Induktivitäten mit geringer Bauhöhe verwendet wurden. Da die Bauhöhe von Induktivitäten verringert wird, zeigen Lateralfluss-Induktivitäten im Vergleich zu herkömmlichen Vertikalfluss-Varianten eine zunehmend bessere Induktivität. Die mechanischen Eigenschaften von FlakeComposite ermöglichen Induktivitäten von 5 µm bis 2 mm Dicke, wodurch sie sich gut für die Herstellung ultradünner Lateralfluss-Induktivitäten eignen.

Bild 4: Die DC-Bias-Charakteristik zeigt eine höhere Permeabilität, wenn ein hohes DC-Bias-Feld angelegt wird.
Bild 4: Die DC-Bias-Charakteristik zeigt eine höhere Permeabilität, wenn ein hohes DC-Bias-Feld angelegt wird.
(Bild: Kemet)

Extrem flache und dennoch robuste Induktivitäten, die aus FlakeComposite hergestellt werden, sind ebenfalls darauf ausgerichtet, in Leiterplatten eingebettet zu werden, um Platz zu sparen und eine um 40% geringere Bauhöhe als herkömmliche Ferritkerne zu erzielen.

Elastisches magnetisches Material mit hoher Permeabilität

Bild 5: Die höhere Curie-Temperatur von FlakeComposite stellt sicher, dass der Induktivitätswert bei höheren Betriebstemperaturen erhalten bleibt.
Bild 5: Die höhere Curie-Temperatur von FlakeComposite stellt sicher, dass der Induktivitätswert bei höheren Betriebstemperaturen erhalten bleibt.
(Bild: Kemet)

Die Kombination aus magnetischen und mechanischen Eigenschaften von FlakeComposite eignet sich nicht nur für Leistungsinduktivitäten, sondern auch zur elektromagnetischen Abschirmung, einschließlich EMI-Unterdrückung und Abschirmung von Wireless-Power-Übertragungsspulen, um die Ladeleistung zu optimieren und benachbarte elektronische Geräte zu schützen. Die FlakeComposite-Technologie bildet die Basis der Flex-Suppressor-Produkte von KEMET, die in einer Vielzahl von Anwendungen elektromagnetische Störungen nachweislich dämpfen.

Bild 6: Detailansicht einer Induktivität mit FlakeComposite-Kern.
Bild 6: Detailansicht einer Induktivität mit FlakeComposite-Kern.
(Bild: Kemet)

Optimierte Kerne für kleinere Leistungswandler

FlakeComposite ist ein neuartiges Material, um die Leistungsfähigkeit von Induktivitätskernen zu optimieren und die Miniaturisierung kommender Leistungswandler voranzutreiben – und zwar über die Errungenschaften aktueller Ferritkernmaterialien hinaus. Durch eine ähnliche Permeabilität mit überlegenen Sättigungseigenschaften, hoher DC-Bias-Leistungsfähigkeit und höherer Temperaturbeständigkeit ermöglicht FlakeComposite flachere Leistungsinduktivitäten und bietet die mechanischen Eigenschaften, die erforderlich sind, um in Leiterplatten integrierte Induktivitäten platzsparend auszulegen.

* Patrik Kalbermatten ist Senior Manager, Distribution Promotion Product Management Magnetic, Sensor & Actuator, bei KEMET.

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