Ferrit oder Metallpulverkern für eine Buck-Speicherdrossel?

OP (Firma: YUTE Magnetic) #8105705
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Bei der Auslegung einer Speicherdrossel für einen Buck-Wandler stellt sich häufig die Frage, ob ein Ferritkern mit Luftspalt oder ein Metallpulverkern die bessere Wahl ist.

Beide Varianten können geeignet sein. Entscheidend sind unter anderem der Gleichstromanteil, die Stromwelligkeit, die Schaltfrequenz und die zulässige Erwärmung.

1. Induktivität unter Gleichstromvormagnetisierung

Die Nenninduktivität wird häufig mit einem kleinen Messsignal bestimmt. Unter hoher Gleichstrombelastung kann die effektive Permeabilität des Kernmaterials jedoch abnehmen.

Dadurch sinkt die Induktivität, was bei ansonsten gleichen Betriebsbedingungen zu einer höheren Stromwelligkeit führen kann.

Bei Ferritkernen mit konzentriertem Luftspalt und Metallpulverkernen mit verteiltem Luftspalt kann sich der Verlauf der Induktivität über dem Gleichstrom deutlich unterscheiden.

Deshalb ist die L(I)-Kennlinie für die praktische Auswahl oft aussagekräftiger als nur der nominelle AL-Wert.

2. Kernverluste bei höheren Schaltfrequenzen

Metallpulverkerne, beispielsweise auf FeNi- oder FeSiAl-Basis, können bei hohen Gleichstromanteilen interessant sein. Allerdings hängt die Eignung stark von der konkreten Materialzusammensetzung und den Verlustkennlinien ab.

Ferritkerne bieten wiederum bei vielen höheren Schaltfrequenzen niedrige Kernverluste, benötigen für Speicherdrosseln aber häufig einen entsprechend ausgelegten Luftspalt.

Ein direkter Vergleich der Kernverluste ist nur bei vergleichbaren Messbedingungen sinnvoll:

  • Frequenz
  • Magnetische Flussdichteänderung ΔB
  • Temperatur
  • Anregungsform und gegebenenfalls Gleichstromvormagnetisierung

3. Kupferverluste und Temperatur

Eine geringere Induktivität unter Last kann die Stromwelligkeit erhöhen. Dadurch können auch die Wechselstromverluste in der Wicklung steigen.

Die tatsächliche Temperatur hängt jedoch von den gesamten Verlusten und den thermischen Randbedingungen ab.

Ein Kernmaterial mit günstiger Gleichstromkennlinie führt deshalb nicht automatisch zu einer niedrigeren Betriebstemperatur.

Mich würden eure Erfahrungen interessieren:

Welche Kriterien sind bei euren Buck-Speicherdrosseln entscheidend – die Induktivität unter Gleichstrombelastung, die Kernverluste oder die Baugröße?

Und ab welcher Schaltfrequenz habt ihr in der Praxis Vorteile oder Nachteile beim Wechsel zwischen Ferritkernen mit Luftspalt und Metallpulverkernen festgestellt?

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OP (Firma: YUTE Magnetic) #8105719
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Ja, ich arbeite bei YUTE Magnetics. Wir beschäftigen uns mit magnetischen Kernmaterialien und Leistungsinduktivitäten.

Der Beitrag soll keine Werbung oder formelle Marktumfrage sein. Mich interessieren vor allem praktische Erfahrungen bei der Auswahl von Ferrit- und Metallpulverkernen für Buck-Wandler.

Mit dem verlinkten Wissenschaftler habe ich nichts zu tun. Die Namensähnlichkeit ist reiner Zufall.

Viele Grüße Yong

Persönliche Seite #8105730
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Hallo Yong C.

Yong C. schrieb:

Die tatsächliche Temperatur hängt jedoch von den gesamten Verlusten und den thermischen Randbedingungen ab. Ein Kernmaterial mit günstiger Gleichstromkennlinie führt deshalb nicht automatisch zu einer niedrigeren Betriebstemperatur.

Eine höhere Temperatur des Kernes führt oft zu geringeren Ummagnetisierungsverlusten. Von daher kann es sinnvoll sein, eine höhere Kerntemperatur zuzulassen, solange die Materialien das mitmachen. Und ja, bei erhöhter Temperatur steigen die Kupferverluste. Daher ist das ganze eben auch noch von anderen Auslegungsfaktoren abhängig, sollte aber bedacht werden, wenn es um größere Volumen und Leistungen geht. Das verhalten ist etwas kontraintuitiv. ;O) Ok, ist bei Buck Reglern nicht so entscheident, weil die ja einen relativ hohen Gleichstromanteil haben.

Mich würden eure Erfahrungen interessieren: Welche Kriterien sind bei euren Buck-Speicherdrosseln entscheidend – die Induktivität unter Gleichstrombelastung, die Kernverluste oder die Baugröße?

Das hängt an der konkreten Situation. Ein Buck Converter wird ja meistens so ausgelegt, dass er seine Ausgangsspannung bei gegebenen Eckwerten von Eingangsspannung und möglichem Strom gut halten kann. Das ist aber dann weiter stark streuend. Habe ich eine Situation, wo ich z.B. meistens mit einer sehr stabilen Versorgung rechnen kann, und darum meine Spannung immer in der Nähe der oberen Grenze liegt, oder habe ich z.B. eine leeerlaufende Batterie, wo ich auch lange in der Nähe der unteren Grenze bin? Was ist bei stark wechselnden Bedingungen, wenn mein Buck Regler auch noch eine MPP-Funktionalität haben soll?

Restwelligkeit im Bereich der Schaltfrequenz (und darunter) ist eine Nummer, Oberwellen davon sind eine Nummer. Auch nichtlineares Verhalten von Kernmaterial kann Oberwellen erzeugen.

Und ab welcher Schaltfrequenz habt ihr in der Praxis Vorteile oder Nachteile beim Wechsel zwischen Ferritkernen mit Luftspalt und Metallpulverkernen festgestellt?

Über meine Anwendungsfälle (nicht nur Buck Regler oder Schaltnetzteile) verteilt verwende ich "meistens" Metallpulver, wenn es linearer sein soll, und Ferrite, wenn es auf die Linearität nicht so ankommt. Aber: ich habe auch schon Kerne aus amorphem Eisenband verwendet, wo ausgenutzt wurde, dass eine Drossel ab einer bestimmten Stromstärke sehr abrupt in die Sättigung geht und sich so weitgehenst aus dem Strompfad eliminiert. Ist für Impulsformung manchmal eine Nummer.

Die Welt besteht eben nicht nur aus Buck Reglern.

Yong C. schrieb:

Ja, ich arbeite bei YUTE Magnetics. Wir beschäftigen uns mit magnetischen Kernmaterialien und Leistungsinduktivitäten.

Dann schreib doch mal eine umfassene Monographie über die Auslegung von Buck Reglern und veröffentliche sie unter einer Creative-Commons Lizenz. Wenn mehr Leute Buck Regler einsetzten, wird der Kuchen zum verteilen größer, und mit etwas Glück auch Euer Stück davon. ;O)

Mit freundlichem Gruß: Bernd Wiebus alias dl1eic

http://www.dl0dg.de

: Bearbeitet durch User
OP (Firma: YUTE Magnetic) #8105733
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Hallo Bernd,

vielen Dank für deine ausführliche Antwort und die interessanten Praxisbeispiele!

Besonders den Zusammenhang zwischen Kerntemperatur, Ummagnetisierungsverlusten und Kupferverlusten finde ich spannend. Wie du schon sagst, hängt die optimale Auslegung stark vom konkreten Betriebsfall ab.

Auch dein Beispiel mit den amorphen Bandkernen zur Impulsformung ist interessant. Das zeigt gut, dass man die Eigenschaften eines Kernmaterials je nach Anwendung ganz unterschiedlich nutzen kann.

Die Idee mit einer frei zugänglichen technischen Dokumentation unter Creative Commons gefällt mir. Vielleicht wäre ein praxisorientierter Leitfaden zur Auswahl von Kernmaterialien und zur Auslegung von Leistungsinduktivitäten ein guter Anfang, bevor man sich an eine umfassende Monographie wagt.

Vielen Dank für die Anregung und den fachlichen Austausch!

Viele Grüße Yong

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