Mit Eisen-Pulver-Legierungen ohne lange Wartezeit elektrisch tanken

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Für diese Art des „modulierten Gleichstromes“ leiten sich einige grundlegende Richtlinien zum Bau der PFC-Drosseln ab.

Die Wickeldrähte für die magnetischen Bauteile können relativ einfach durch Volldrähte ausgeführt werden. Der dominante niederfrequente Stromanteil wird über den vollen Kupferquerschnitt aufgenommen. Der Skineffekt für die höheren Frequenzen ist zwar signifikant, die damit verbundenen Verluste aber aufgrund des vergleichsweise kleinen Rippelanteiles vertretbar.

Als Kernmaterialien bieten sich Eisenpulver wie das MANIFLUX „MFL A 075 M“ der HARTU Induktive Bauelemente oder für höhere Frequenzen (üblicherweise 50 bis 150 kHz) spezielle Eisenpulverlegierungen wie das MANIFLUX „MFL B 060 H“ an.

Als Kernmaterial für Speicherdrosseln höherer Frequenzen und hohem Rippelanteil werden meist ferritische Kernmaterialien eingesetzt, bei denen zur Erhöhung des Sättigungsstroms ein definierter Luftspalt eingeschliffen wird. Bei großem Luftspalt treten jedoch Streufelder auf, die in die Wicklung ausstrahlen und auf Grund des Proximity-Effekts zu einem deutlichen Temperaturanstieg der Drosseln im Arbeitspunkt führen.

Für Anwendungen mit hohem Gesamtstrom, aber relativ kleinem Hochfrequenzanteil stellen Eisenpulvermaterialien eine sehr interessante Alternative dar. Eisen verfügt gegenüber Ferrit über eine hohe Sättigungspolarisation J_S, ist jedoch elektrisch leitfähig. Die Kernverluste setzen sich daher aus den linear mit der Frequenz ansteigenden Ummagnetisierungsverlusten und den quadratisch mit der Frequenz ansteigenden Wirbelstromverlusten zusammen.

Um bei Frequenzen unter 100 kHz die Wirbelstromverluste zu senken, kann, wie beim Kernmaterial MANIFLUX „MFL A“ Eisen in Pulverform eingesetzt werden. Die einzelnen Körner werden gegeneinander isoliert. Dadurch verringern sich die Wirbelströme und der entstehende Luftspalt zwischen den Körnern lässt eine hohe Aussteuerung des Materials bei gleichzeitig niedrigen Streufeldern zu. Durch die gewählte Korngrößenverteilung des Rohmaterials können die Koerzitivfeldstärke HC und damit die Kernverluste PV, sowie die Frequenzabhängigkeit der Anfangspermeabilität µ_i des Kernmaterials eingestellt werden (Bild 7).

Eisenpulvermaterialien erlauben einen Betrieb der Drosseln mit hohen Flussdichten B und hoher Gleichstromvormagnetisierung durch eine konstante relative Überlagerungspermeabilität µΔ% bis bis zu Feldstärken von 1000 A/m. Ein Vorteil des Eisenpulvers im Vergleich zum Ferrit ist auch die hohe Curie Temperatur TC des Eisens und der konstante Temperaturfaktor der Permeabilität im Bereich von T=25 °C bis über T=150 °C. Im Gegensatz zu Ferritkernen sinkt dadurch die Induktivität einer Drossel bei Temperaturanstieg nicht (Bild 8).

Kompakte Drosseln verbessern die Leistung erheblich

HARTU Induktive Bauelemente hat am Standort Hermsdorf in Thüringen (vormals Tridelta GmbH) für Leistungsanwendungen bis 100 kHz verschiedene frequenzstabile Eisenpulvermaterialien der Bezeichnung MANIFLUX MFL A mit Anfangspermeabilitäten von µ_i=35, 40, und 75 entwickelt. Durch die Auswahl der richtigen Permeabilität kann der Arbeitspunkt der Drossel optimal eingestellt werden. Die Sättigungspolarisation J_S liegt je nach Materialsorte zwischen 1,2 und 1,6 Tesla.

Es stehen für diese Materialien Topfkerne der Größen P60 und P80 zur Verfügung. Diese Bauform ermöglicht kompakte Drosselausführungen durch optimale Ausnutzung des Kernmaterials und eine Abschirmung der Wicklung nach außen.

Auch Ringkerne können aus den MANIFLUX-Pulvern gefertigt und mit einem von UL geprüften Epoxidlack isoliert werden. Dieser Lack weist bei einer Eingruppierung in die UL Flammklasse V-0 sehr gute Entzündbarkeits- und Entflammbarkeitswerte von HWI 0 und HAI 1 auf. Die Kriechstromfestigkeit ist mit CTI 0 geprüft. Der Lack ist damit bestens für den Einsatz in Drosseln geeignet, bei denen ohne weitere Bandage direkt auf dem Kern gewickelt wird

Eine weitere Senkung der Ummagnetisierungsverluste kann durch die Verwendung legierter Eisenpulvermaterialien erreicht werden. Eine Legierung mit Silizium senkt die Verlustleistungsdichte PV um ca. 50%. Bei einer Frequenz von 50 kHz und einer magnetischen Aussteuerung von 100 mT lässt sich beim Material MANIFLUX MFL B 060 H eine Verlustleistungsdichte von 825 mW/cm³ gegenüber 1950 mW/cm3 beim Reineisenmaterial MFL A 075 M erreichen. Ein negativer Einfluss auf den Temperaturfaktor der Permeabilität tritt bei dieser Legierung nicht auf. Die Sättigungspolarisation JS sinkt jedoch leicht durch den Einfluss des Siliziums. Die Materialien mit der Bezeichnung MANIFLUX MFL B können bei den Topfkernen P60 und P80 im Bereich der Mittelbutzen eingesetzt werden, also im Bereich in dem die höchste Felddichte auftritt. Solche Hybridkerne senken die Verluste bei höheren Frequenzen deutlich. Auch Kernblöcke und Profilkerne sind aus legierten Eisenpulvern herstellbar.

Zusätzlich untersucht HARTU Induktive Bauelemente aktuell auch den Einsatz von amorphen Pulvermaterialien.

Hier wird eine zusätzliche, deutliche Reduzierung der Verlustleistungsdichte PV erwartet.

* Reiner Nowitzki ist Head of Engineering bei der Finepower GmbH,

* Christoph Kammenhuber ist Entwicklungsleiter Induktivitäten bei PTR HARTMANN GmbH

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