Alterung von Speicherdrosseln Wie steigende Kernverluste DC/DC-Wandler schwächen

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Würth Elektronik eiSos GmbH & Co. KG

Verpresste Induktivitäten ermöglichen kompakte DC/DC-Wandler, müssen dabei jedoch hohen Belastungen standhalten. Perkolation kann das Kernmaterial im Laufe der Zeit schädigen, die Verluste erhöhen und die Zuverlässigkeit des Wandlers beeinträchtigen.

Würth Elektronik beschreibt die Perkolation als gemeinsame Ursache für die Materialdegradation verpresster Induktivitäten unter hohen Spannungen und Temperaturen. Aber was ist dieses Perkolationsphänomen eigentlich? Welche Auswirkungen hat die Perkolation in einer verpressten Induktivität? Und noch wichtiger: Wie wirkt sich dies langfristig auf die Leistung eines DC/DC-Wandlers aus?

Das Perkolationsphänomen

Früher dienten thermische Alterungsprüfungen bei erhöhten Temperaturen dazu, die Zuverlässigkeit magnetischer Werkstoffe, Magnetkerne und induktiver Bauelemente zu überprüfen. Zur Bewertung der Spannungsfestigkeit von Speicherdrosseln kamen vor allem Burn-in- und Spannungsimpulsprüfungen zum Einsatz, mit denen sich die Auswirkungen transienter Spannungen auf die Isolation untersuchen ließen. Bei Prüfungen verpresster Induktivitäten unter erhöhten Spannungen oder Temperaturen stellte Würth Elektronik eine fortschreitende Verschlechterung des Hochfrequenzverhaltens fest. Ursache sind mikroskopisch kleine leitfähige Netzwerke zwischen den Metallpulverpartikeln des Kernmaterials. Sie erhöhen die elektrische Leitfähigkeit und damit die Kernverluste.

In der Werkstofftechnik beschreibt die Perkolationstheorie die Bildung zusammenhängender leitfähiger Pfade in einem Material. Die Perkolationsschwelle ist erreicht, sobald die zunehmende Vernetzung leitfähiger Partikel einen sprunghaften Anstieg der elektrischen Leitfähigkeit verursacht und das Material von einem isolierenden in einen leitfähigen Zustand übergeht.

Verpresste Induktivitäten basieren häufig auf weichmagnetischen Verbundwerkstoffen, sogenannten Soft Magnetic Composites (SMC). Sie bestehen aus beschichteten Eisenlegierungspartikeln, die in eine nichtleitende Matrix aus Epoxidharz oder einem Polymerbindemittel eingebettet sind. Die Isolationsschicht und das Bindemittel reduzieren die Leitfähigkeit zwischen den Partikeln und damit die Wirbelstromverluste, wie Bild 1 zeigt.

Untersuchungen zeigen jedoch, dass leitfähige Perkolation bei hohen Spannungen oder Temperaturen auch dann auftreten kann, wenn der Anteil leitfähiger Materialien in einem Polymer gering ist. Würth Elektronik stellte fest, dass hohe Spannungen sowie die kontinuierliche Einwirkung erhöhter Temperaturen die Isolationseigenschaften des Bindemittels und der Partikelbeschichtung beeinträchtigen können. Dadurch entstehen zunehmend mikroskopisch kleine leitfähige Netzwerke innerhalb des SMC. Bild 2 zeigt schematisch das Wachstum eines solchen Perkolationsnetzwerks in einem Verbundwerkstoff. Die roten Widerstände kennzeichnen neue leitfähige Verbindungen zwischen freiliegenden Eisenpartikeln. Daraus können Cluster entstehen, die zunächst einzelne Bereiche und schließlich das gesamte Material der verpressten Induktivität schädigen.

Bei einer verpressten Induktivität bezeichnet Perkolation somit eine durch hohe Spannungen oder Temperaturen verursachte Materialdegradation. Dabei geht das Kernmaterial zunehmend von einem isolierenden in einen leitfähigen Zustand über, wodurch die Wirbelströme und damit die Kernverluste steigen.

Zusammenfassend definieren wir das Perkolationsphänomen in einer verpressten Induktivität als materialbedingte Degradierung infolge erhöhter Spannung oder Temperatur, bei der es zu einem Übergang vom isolierenden zum leitenden Zustand kommt und infolgedessen die Kernverluste durch vermehrte Wirbelströme steigen. Die nichtlineare Beziehung zwischen dem Verlust der Isolationsfähigkeit und der Zunahme der elektrischen Leitfähigkeit (infolge des Auftretens der gelben Netzwerke) in einem SMC ist in Bild 3 dargestellt.

Solange der Verlust der Isolationsfähigkeit unter dem Schwellenwert liegt, steigt die Leitfähigkeit des Verbundwerkstoffs allmählich mit steigender Temperatur oder angelegter Spannung. Wird das Material jedoch höheren Spannungen oder höheren Temperaturen ausgesetzt, erhöht sich die Leitfähigkeit, was schließlich zur Perkolation führt. An diesem Punkt durchläuft der Perkolationspfad das Bindemittel, verbindet dabei die Eisenpartikel und bildet Cluster. Mit der Zeit nehmen die leitenden Pfade des Materials erheblich zu: Aus dem vormaligen Isolationsmaterial wird nun ein leitfähiger Werkstoff. Es handelt sich um ein irreversibles Phänomen, das die Leistung der betroffenen Drossel beeinträchtigt.

Auswirkungen der Perkolation

Wie bereits erwähnt, tritt das Phänomen der Perkolation während der Lebensdauer einer verpressten Induktivität auf und ist in frühen Stadien schwer zu erkennen. Eine verpresste Induktivität mit AEC-Q200-Qualifizierung für Temperaturen über 125 °C kann von Perkolation betroffen sein, die mit den üblichen Vor- und Nachmessungen, wie sie in der Norm empfohlen werden, nicht erkannt wird. Dies wurde von Würth Elektronik in den Application Notes ANP126[1] und ANP128[2] erläutert.

Ein beschädigtes Bauteil zeigt bei Messungen mit niedrigen Frequenzen, beispielsweise 100 kHz, keine wesentliche Veränderung von Induktivität oder Widerstand. Erst bei hohen Frequenzen, beispielsweise 2 MHz, deutet ein mit einem Impedanzanalysator gemessener reduzierter Gütefaktor auf eine Leistungsminderung hin.

Um das Phänomen der Perkolation aufgrund höherer Spannungen oder Temperaturen zu bestätigen, wurde in der diesem Artikel zugrunde liegenden Application Note [3] ein neuer Testaufbau entwickelt. Insgesamt wurden 20 Exemplare einer 4,7-µH-Drossel aus derselben Fertigungscharge entnommen, die alle vergleichbare elektrische Eigenschaften aufwiesen. Für die Versuchsreihe wurden zehn Drosseln einem Hochspannungstest und zehn weitere einem thermischen Alterungstest unterzogen. Die Messungen erfolgten jeweils bei einer Umgebungstemperatur von 20 °C.

Beim Alterungstest wurde die Schädigung durch die Einwirkung einer Temperatur von 160 °C über 300 Stunden ausgelöst. Der Hochspannungstest wurde mit einem modularen Impulsgenerator durchgeführt, der eine Abfolge kontrollierter Impulse an die Drosseln abgab.

Beim Hochspannungstest wurde die erste Sequenz der Spannungsimpulse auf knapp 120 V_DC festgelegt, was dem im Datenblatt des Herstellers empfohlenen Grenzwert entspricht. Die angelegten Impulse hatten eine Dauer von jeweils 36 µs und erfüllten damit die Empfehlung der Norm IEC 61000-4-5 für die Impulsanstiegs- und -abfallzeit. Insgesamt wurden 35 Impulse an jede Drossel angelegt. Anschließend wurden die Drosseln einer Reihe von Überspannungsimpulsen unterzogen. Die Ergebnisse vor und nach den Tests zeigt Bild 4. Die graue Linie zeigt den durchschnittlichen Gütefaktor Q in Abhängigkeit von der Frequenz vor der Temperaturbelastung. Die schwarz gestrichelte Linie entspricht den Ergebnissen nach der ersten Impulsrunde bei 120 V_DC. Beide Kurven zeigen das gleiche Verhalten. Die rote Linie entspricht dem durchschnittlichen Gütefaktor nach der Hochspannungsbelastung mit Impulsen von rund 190 V_DC, die blaue Kurve dem Test bei 160 °C. Der Spannungswert von 190 V_DC stellt eine Erhöhung um rund 60 % gegenüber der Spannungsgrenze der zuvor erwähnten nichtleitenden Matrix dar. Frühere Erfahrungen mit der ausgewählten Drossel haben gezeigt, dass eine Spannung von 240 V_DC bereits bei den ersten Impulsen zu Rissen am Bauteil führt.

Insgesamt wurden zehn Impulse mit 190 V_DC angelegt. Zwar wurden keine Risse festgestellt, aber es ist eine deutliche Veränderung des Gütefaktors zu erkennen. Die blaue Linie mit dem durchschnittlichen Gütefaktor nach der Einwirkung hoher Temperaturen zeigt erwartungsgemäß eine vergleichbare Veränderung. Allgemein ist zu beobachten, dass sowohl die erhöhte Spannung als auch die erhöhte Temperatur den Gütefaktor bei höheren Frequenzen reduzieren und die Resonanzfrequenz leicht verändern. Dabei ist zu beachten, dass die Perkolation aufgrund der durch den Test hervorgerufenen physikalischen Effekte an verschiedenen Stellen im Kern der Drossel beginnt. Dies kann entweder mit elektrischer oder thermischer Perkolation in Verbindung gebracht werden. Der Trend ist jedoch eindeutig: Bei längerer Einwirkzeit führt die Perkolation zu einer stetigen Abnahme des Gütefaktors. Die Ergebnisse einer thermischen Alterungsprüfung bei 200 °C über 5.000 Stunden zeigt Bild 5. Bild 6 zeigt anhand derselben 4,7-µH-Drossel, wie der Gütefaktor mit fortschreitender Perkolation über einen großen Frequenzbereich abnimmt.

Auch wenn eine verpresste Induktivität ihre Belastungsgrenze erreicht und Risse aufweist, kann sie weiterhin als Speicherdrossel funktionieren. Ihre elektrischen Eigenschaften können dann jedoch deutlich von der ursprünglichen Spezifikation abweichen. Dies wiederum hat Auswirkungen auf die Anwendung, in der die Drossel eingesetzt wird.

Zusammenfassend lässt sich die Perkolation in verpressten Induktivitäten anhand einer Abnahme des Gütefaktors und der Induktivität bei hohen Frequenzen sowie einer Abnahme der Resonanzfrequenz erkennen. Das Ausmaß der Veränderungen hängt vom Fortschritt der Perkolation ab. Zur Abschätzung der Lebensdauer wurde ein Arrheniusdiagramm erstellt, das den Empfehlungen der IEC 60216-1 in Kombination mit ASTM D2307 entspricht. Als Endpunktkriterium wurde eine Verringerung des bei 5 MHz gemessenen Gütefaktors um 40 % festgelegt. Dies entspricht bei der untersuchten verpressten 5,6-µH-Induktivität eines Marktbegleiters einer kritischen Zunahme der Wechselstromverluste um 100 %.

Die Kurve in Bild 7 zeigt, dass das Bauteil des Marktbegleiters nach 100 Stunden Dauereinwirkung bei einer Temperatur von 147 °C das festgelegte Endpunktkriterium erreicht. Die Schätzung aus dem Arrheniusdiagramm ergibt, dass dies bei einer Betriebstemperatur von 85 °C nach etwa 10.000 Stunden Dauerbetrieb eintreten könnte. Dies entspricht rund 1,14 Jahren. Die meisten industriellen Anwendungen sind dagegen für eine Lebensdauer von mindestens 10 bis 20 Jahren ausgelegt.

Auswirkungen auf DC/DC-Wandler

Heutzutage stoßen Halbleiter wie GaN- und SiC-Schalttransistoren mit sehr kurzen Schaltzeiten und hohen maximalen Drain-Source-Spannungen bei Entwicklern auf verstärktes Interesse. DC/DC-Anwendungen mit Schaltfrequenzen von über 1 MHz sind weit verbreitet, beispielsweise in „Power Supply on Chip“ (PwrSoC). Sie zielen mit kompakten „Embedded Designs“ auf eine höhere Effizienz z.B. für Anwendungen zur Stromversorgung von CPUs für Künstliche Intelligenz ab. Sie alle belegen einen Trend im Hinblick auf maximalen Leistungsbedarf, hochfrequente Spannungsbelastung und Drosselenergie. Viele verpresste Induktivitäten namhafter Hersteller würden unter diesen neuartigen Betriebsbedingungen jedoch aufgrund des Perkolationsphänomens vorzeitig ausfallen. Um die möglichen Auswirkungen der Perkolation zu demonstrieren, wurde diese in einen Abwärtswandler (Buck-Converter) mit V_in = 14 V, V_out = 5 V bei 1,3 A, der bei 1.020 kHz betrieben wird, ausgewählt: Bei den Schaltnetzteilen ist der Buck-Wandler sicherlich die am weitesten verbreitete Topologie. Hierfür wurde eine typische 10-µH-verpresste Induktivität ausgewählt. Das Demoboard bietet die Möglichkeit, die Drossel auszutauschen, ohne den Aufbau durch Löten und Entlöten der Drosseln zu beeinträchtigen. Dies ermöglichte es uns, schnell verschiedene Exemplare zu testen, die vom Perkolationsphänomen betroffen waren. Der Grad der Perkolation der Proben reicht von den frühen Stadien bis hin zur Perkolationsschwelle, bei der die Leistung der Prüflinge näher an der leitfähigen Zone liegt. Zusätzlich wurde ein Demoboard mit einer Netznachbildung eingesetzt, um Einflüsse von elektromagnetischen Störungen durch die externe Stromversorgung zu reduzieren, auch wenn dies nicht unbedingt notwendig gewesen wäre.

Auswirkungen unterschiedlicher Perkolationsgrade: Die Messungen an verpressten Induktivitäten mit unterschiedlichen Perkolationsgraden zeigen, dass sich die Form des Rippelstroms mit zunehmender Schädigung verändert. In den frühen Stadien steigen zunächst die Kernmaterialverluste. Dieses Verhalten lässt sich näherungsweise durch einen zusätzlichen Widerstand parallel zur Drossel beschreiben. Wird die Perkolationsschwelle erreicht und nähert sich das Material der leitenden Zone, nimmt auch der Gradient des Rippelstroms ab. Das Modell des Parallelwiderstands ist dann nicht mehr ausreichend.

Gleichzeitig nehmen der Gleichanteil und die Harmonischen des Drosselstroms zu. Externe Störquellen und die typischen Schaltüberschwinger konnten als Ursache ausgeschlossen werden. Die zunehmende Verzerrung des ursprünglich annähernd dreieckförmigen Rippelstroms verändert das Verhältnis zwischen Spitzenstrom und Ausgangsstrom. Dadurch kann die Cycle-by-Cycle-Strombegrenzung des Steuer-IC bereits bei einem niedrigeren Ausgangsstrom auslösen als ursprünglich vorgesehen. Diese Situation kann zu einem Abfall der Ausgangsspannung führen. Im Idealfall erkennt der Regler das Problem und schaltet sich ab. Im ungünstigsten Fall arbeitet die Anwendung mit unzureichender Versorgungsspannung weiter.

Perkolation senkt den Wirkungsgrad: Die Verluste eines Buck-Wandlers setzen sich im Wesentlichen aus Schalt-, Leitungs-, Dioden- und Kernverlusten zusammen. Bei der Alterung eines Wandlers stehen häufig Kondensatoren und Halbleiter im Mittelpunkt. Die Untersuchungen zeigen jedoch, dass auch die fortschreitende Perkolation der Speicherdrossel den Wirkungsgrad deutlich verringern kann.

In der Beispielanwendung lag der Wirkungsgrad ohne Perkolation bei rund 85 %. Für eine feste Ausgangsleistung von 6,5 W benötigte der Wandler eine Eingangsleistung von 7,6 W. Mit zunehmender Perkolation stieg die erforderliche Eingangsleistung deutlich an. Bei fortgeschrittener Schädigung waren bis zu 12,5 W erforderlich. Eine Messung bei noch stärkerer Perkolation war nicht möglich, da sich die Drossel schnell erwärmte und der Buck-Wandler innerhalb weniger Sekunden ausfiel.

Der anfängliche Wirkungsgradverlust ist hauptsächlich auf die steigenden Kernverluste zurückzuführen. Mit fortschreitender Perkolation verursachen die veränderte Stromform und die erhöhte Wechselstromwelligkeit weitere Verluste in der Wicklung und den Halbleitern. Bei einem hohen Perkolationsgrad kann zudem die Funktion des Regelkreises beeinträchtigt werden. Mögliche Folgen sind Instabilitäten sowie Schwankungen oder Sprünge der Ausgangsspannung beziehungsweise des Ausgangsstroms. Die erhöhte Belastung und der steigende Anteil an Harmonischen können außerdem die Lebensdauer von Kondensatoren und Halbleitern verkürzen.

Auswirkungen auf die EMV: Neben dem Wirkungsgrad verdient auch das EMV-Verhalten Beachtung. Die Messungen zeigen, dass die von einer perkolierten Induktivität verursachten Harmonischen deutlich zunehmen. Dadurch kann der Effektivstrom durch die Drossel steigen, was zusätzliche Wicklungsverluste und eine stärkere Erwärmung verursacht. Abhängig von der Auslegung der Anwendung können die Harmonischen außerdem auf die Last übertragen werden oder zusätzliche leitungsgebundene und abgestrahlte Störungen erzeugen. Ob daraus tatsächlich ein EMV-Problem entsteht, hängt vom Aufbau des Wandlers sowie von der Filterung und den umgesetzten EMV-Maßnahmen ab. (mr)

[1] www.we-online.de/ANP126

[2] www.we-online.de/ANP128

[3] www.we-online.de/ANP142

* Dr.-Ing. Efrain Bernal Alzate ist Design Engineer bei Würth Elektronik eiSos GmbH & Co. KG.

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