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Hochstrom-Induktivitäten für die Automobilelektronik - Klein und stark

Neue Schalttransistoren, zum Beispiel auf Basis Gallium-Nitrid (GaN), erhöhen die Arbeitsfrequenz von Schaltnetzteilen. Damit ermöglichen sie den Einsatz von kleineren Kondensatoren und Induktivitäten. Induktivitäten mit High-Tech-Kernmaterialien tragen zudem zu einem hohen Gesamtwirkungsgrad der Schaltung bei.

Moderne ICs für Schaltnetzteile und Schalttransistoren ermöglichen durch steilere Schaltflanken immer höhere Schaltfrequenzen bei weiterhin geringen Schaltverlusten. Durch die steigende Schaltfrequenz können Kondensatoren mit kleineren Kapazitätswerten und Induktivitäten mit kleineren Induktivitätswerten eingesetzt werden. Mit den kleineren elektrischen Werten werden auch die Bauteile selbst kleiner. Das bedeutet: weniger Bauraum, weniger Gewicht und weniger Kosten für die Gesamtschaltung. Gleichzeitig erhöht sich die Leistungsdichte der Schaltung. Damit leisten die Bauteile auch einen Beitrag zur Reduzierung des CO2-Verbrauchs des Fahrzeugs.

Um einen guten Wirkungsgrad zu erzielen, müssen trotz Miniaturisierung auch die parasitären Effekte klein bleiben. Bei Spulen sind das insbesondere der Gleichstromwiderstand (DCR) und der Wirkwiderstand, der im Ersatzschaltbild die Kernverluste darstellt. Eine Baureihe von miniaturisierten Induktivitäten mit exzellenten elektrischen Eigenschaften ist die Serie IHLP® von Vishay (Bild).

Kernmaterial für geringe Wirbelstromverluste

IHLP steht für Inductor, High Current, Low Profile. Als Kernmaterial kommt hier kein Ferrit zum Einsatz, sondern ein verpresstes Verbundmaterial, bestehend aus einem weichmagnetischen Eisenpulver und einem Epoxidharz als Bindemittel. Die Eisenpulver bestimmen die magnetischen Eigenschaften. Das Verbundmaterial ist elektrisch schlecht leitend, isoliert die Eisenpulverteilchen voneinander und sorgt so für geringe Wirbelstromverluste.

Qualität erhöhen mit verbessertem EMV-Verhalten ...

Beim Herstellen des Bauteils wird eine beschichtete Kupferspule mit einem Drahtrahmen kontaktiert, in einer Pressform in das Pulvergemisch eingebettet und dieses dann mit einem Druck von bis zu 2,8 t/cm2 in Form gepresst. Der so entstandene Spulenkörper der Induktivität wirkt magnetisch abschirmend und reduziert elektromagnetisch störende Streufelder. Auf diese Weise entsteht eine kompakte Hochleistungsinduktivität für die Oberflächenmontage (SMD) mit hervorragendem EMV-Verhalten.

Typische Applikationen für solche Induktivitäten mit gepresstem Spulenkörper sind etwa LED-Treiber, Schaltnetzteile, DC/DC-Konverter und EMV-Filter. Besondere Anforderungen erfüllen sie durch unterschiedliche Mischungsverhältnisse im Verbundmaterial, verschiedene Pulvermaterialien und deren Korngröße. Obwohl das Konzept schon über 20 Jahre alt ist, entwickelt Vishay die Rezeptur kontinuierlich weiter. So entstehen auch heute noch neue Derivate, die hinsichtlich Sättigung (IHLP...Suffix A1), Zeitkonstante (L/DCR) oder Spulengüte (IHLP...Suffix 1A) oder Betriebstemperatur (IHLP...Suffix 5A, 8A) optimiert sind.

... und Spezifizierung bis 180 °C

Passend zu Anwendungen in Robustness-Umgebungen mit erhöhten thermischen Anforderungen sind einige Induktivitäten der IHLP-Baureihe für hohe Betriebstemperaturen bis 180 °C spezifiziert. Das verschafft Vorteile beim Thermomanagement oder erweitert den Anwendungsbereich auf Applikationen, bei denen die Aktoren unmittelbar an der zu steuernden Fahrzeugkomponente sitzen. Die Ausfallwahrscheinlichkeit der Induktivitäten (FIT, Failure In Time) sinkt, ihre Lebensdauer steigt.

Weitere Eigenschaften der IHLP-Induktivitäten:

Bestes Verhältnis von Gleichstromwiderstand (DCR) und Induktivität (L) bezogen auf die Gehäusegröße (großes τ=L/DCR).

Im Arbeitsbereich ist die Abhängigkeit der Induktivität L von einem überlagerten Gleichstrom relativ gering, die differenzielle Permeabilität μr,diff = dH/dB ist also fast konstant. Damit eignen sich die IHLP-Induktivitäten besonders für den Einsatz in Schaltnetzteilen und als Filterkomponenten in der Stromversorgung.

Die Temperaturabhängigkeit der Induktivität ist, verglichen mit anderen Kernmaterialien, klein.

Die Sättigungsfeldstärke ist vergleichsweise wenig von der Temperatur abhängig.

Designhilfe

Um Entwickler beim Einsatz der Induktivitäten zu unterstützen, stellt Vishay das "IHLP Inductor Loss Calculator Tool" (www.vishay.com/inductors/calculator/calculator) zur Verfügung. Es unterstützt die Schaltnetzteiltopologien Hochsetzsteller (Boost), Tiefsetzsteller (Buck) und Buck-Boost. Verfügbar sind 3D-Modelle der Induktivitäten für das virtuelle Modell der bestückten Platine. Darüber hinaus sind Ersatzschaltbilder zur elektrischen Simulation bei Vishay auf Nachfrage erhältlich.

Komponenten gibt es auf www.rutronik24.de.

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SMD Inductors from Vishay’s IHLP Series
SMD-Induktivitäten aus Vishays Baureihe IHLP