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Messtechnische Charakterisierung und Vorhersage der Kernverluste bei weichmagnetischen Ferriten
(2021)
Induktive Bauelemente spielen bei der Entwicklung und Optimierung getakteter Stromversorgungen eine wesentliche Rolle. Die eingesetzten Spulen und Transformatoren beeinflussen maßgeblich die Effizienz, die Baugröße, das Gewicht sowie die Kosten von Schaltnetzteilen. Dementsprechend empfiehlt sich eine auf die jeweilige Anwendung zugeschnittene Dimensionierung der magnetischen Komponenten. Deren optimale Auslegung erfordert unter anderem eine möglichst gute Vorhersage der auftretenden Verluste in den Spulen- und Transformatorkernen während des Designprozesses. Vor diesem Hintergrund beschäftigt sich die vorliegende Dissertation mit der Vermessung und Modellierung der Kernverluste bei Weichferriten. Diese Werkstoffe kommen häufig in den induktiven Bauteilen getakteter Stromversorgungen zum Einsatz.
Die Zielsetzung dieser Dissertation besteht in der Entwicklung eines zuverlässigen Kernverlustmodells, welches sich für die Auslegung von magnetischen Komponenten gut eignet. Da zuverlässige Messdaten die Basis für jede Modellbildung darstellen, erfolgt in einem ersten Schritt eine messtechnische Charakterisierung der untersuchten Ferrite N87, N49, 3F3, 3C90 und 3C97 im Hinblick auf die Kernverluste bei niedrigen und höheren Frequenzen bis 500 kHz. Um die Vermessung der Materialien für praxisrelevante Kernaussteuerungen durchzuführen, identifiziert diese Arbeit zunächst typische Erregungen, die Spulen- und Transformatorkerne in leistungselektronischen Schaltungen erfahren. Anschließend wird sowohl für die quasistatischen Messungen bei niedrigen Frequenzen als auch für die ratenabhängigen Messungen bei höheren Frequenzen jeweils ein automatisierter Labormessplatz aufgebaut. Durch eine geschickte Experimentenführung können verschiedene Kernaussteuerungen und deren Einfluss auf die Kernverluste untersucht werden. Im Unterschied zum gängigen Vorgehen bei der Materialcharakterisierung erlauben beide Messaufbauten die Erfassung der Kernverluste in Abhängigkeit der Gleichfeldvormagnetisierung der magnetischen Flussdichte anstatt in Abhängigkeit der Gleichfeldvormagnetisierung der magnetischen Feldstärke. Wie die Ausführungen in dieser Arbeit zeigen, sind die erhaltenen Messergebnisse bei diesem Vorgehen damit für Entwickler von leistungselektronischen Schaltungen direkt von Nutzen. Weiterhin gestattet die erreichte Flexibilität der Messaufbauten die Untersuchung der Auswirkungen der magnetischen Vorgeschichte auf die Kernverluste. Dieser Einflussfaktor findet in der einschlägigen Literatur bisher keine weitere Beachtung.
Nach einer umfangreichen messtechnischen Charakterisierung der betrachteten Ferritmaterialien wurde im zweiten Schritt ein Kernverlustmodell entwickelt. Der gewählte Ansatz betrachtet die hauptsächlich geometrieabhängigen, klassischen Wirbelstromverluste und die vor allem materialabhängigen spezifischen Kernverluste getrennt. Die Modellierung der geometrieabhängigen Wirbelstromverluste findet sowohl im Frequenz- als auch im Zeitbereich statt, wobei die Darstellung im Zeitbereich die Berücksichtigung des nichtlinearen und hysteretischen Materialverhaltens der untersuchten Ferrite ermöglicht. Zur Vorhersage der spezifischen Kernverluste für beliebige Kernaussteuerungen unter Einbeziehung einer möglichen Gleichfeldvormagnetisierung entwickelt diese Arbeit einen empirischen Ansatz, welcher eine leichte Einbindung in Optimierungsroutinen sowie eine hohe Simulations- bzw. Rechengeschwindigkeit gewährleistet. Zudem weist die vorgestellte Methode eine gute Übereinstimmung mit den Messergebnissen auf. Weiterhin verwendet das entwickelte Modell lediglich frequenzunabhängige Parameter, die mithilfe einer begrenzten Anzahl an Messungen einfach zu bestimmen sind. Damit weist der empirische Ansatz im Vergleich zu den gängigen Kernverlustmodellen in der Literatur deutliche Vorzüge auf.