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Kurzbeschreibung der Software-Tools zur Berechnung

von Kern- und Wicklungsverlusten induktiver Bauelemente 

für Schaltnetzteile/Leistungselektronik 

 

Einleitung 

Durch immer bessere Leistungshalbleiter, z. B. CoolMOS, schnelle IGBT und SiC-Dioden, bewegt sich die Leistungselektronik zu immer höheren Arbeitsfrequenzen. Damit kommen jedoch insbesondere die induktiven Bauelement (Transformatoren, Drosseln) immer mehr in den Vordergrund. Probleme wie Miniaturisierung, Kosten und Entwicklungszeit spielen heute eine entscheidende Rolle. Weil diese Bauelemente sicherheitsrelevant sind, ist die Problematik Verlustleistung und Übertemperatur von besonderer Bedeutung. 

Wenn man bedenkt, dass z. B. durch den Transformator die gleiche Leistung fließt wie durch  die Leistungshalbleiter, dann kommt man zu dem Schluss, dass die Problematik der induktiven Bauelemente oft als Stiefkind behandelt wird. Dabei bestimmen diese Bauelemente wesentlich das Niveau der Schaltnetzteile und Geräte der Leistungselektronik. Das Anliegen dieser Tools ist es, dieses Problem weitestgehend  zu minimieren. Die Leistungsfähigkeit der Software-Tools ist dabei so, dass normalerweise bereits das erste Muster des induktiven Bauelementes die gesetzte Zielstellung erreicht, was kurze Entwicklungszeiten und niedrige Kosten zur Folge hat. Oft sind die bisherigen Anwender überrascht, welche Effekte durch Optimierung mit den Tools möglich sind. 

 

Theoretische Grundlagen 

Berechnung der Kernverluste

Bei der Berechnung der Kernverluste wird im Wesentlichen von den Daten der Hersteller von Magnetwerkstoffen ausgegangen. Die Messbedingungen, die hier zum Einsatz kommen, stimmen jedoch im Allgemeinen nicht mit den Einsatzbedingungen in den leistungselektronischen  Anwendungen überein, d. h. sie müssen erst einer Aufbereitung unterzogen werden. Dazu wird das Datenfeld der spezifischen Verlustleistung in Abhängigkeit von Frequenz und magn. Flussdichte, das die Hersteller bei sinusförmiger Aussteuerung am Ringkern angeben, digital in die Software übernommen. Das Auslesen eines Wertes erfolgt dann durch Interpolation mit dem Steinmetzgesetz zwischen drei beieinander liegenden Messpunkten. In Anpassung an die reale Anwendung werden danach die folgenden Schritte ausgeführt:

  • Berücksichtigung der realen Flankensteilheit bei nichtsinusförmigen Zeitverläufen der magn. Flussdichte
  • Berücksichtigung der Kernform bei nichtringförmigen Kernen
  • Berücksichtigung des Gleichanteils der magn. Flussdichte
     

Berechnung der Wicklungsverluste 

Eine zweidimensionale analytische Lösung der Problematik "Skin-/Proximity-Effekt" wird hier möglich, indem man die magnetischen Feldstärkekomponenten an den Ränder der Wicklung als konstant annimmt. Diese Feldstärkekomponenten können in zwei Stromkomponenten (x, y) und zwei Durchflutungskomponenten  (x, y) umgerechnet werden. Die Lösung, die zunächst nur für sinusförmige Größen gültig ist, wird mit Hilfe der Fourieranalyse für beliebige periodische Zeitfunktionen anwendbar. Mit diesem Ansatz lassen sich auch Luftspaltprobleme in guter Näherung darstellen. Ein großer Vorteil des Verfahrens ist die Möglichkeit der Optimierung des Leiterquerschnittes bezüglich der Wicklungsverluste. Das zweidimensionale Verfahren gestattet die Lösung aller praktisch vorkommenden Aufgaben, die aus beliebig komplizierten Anordnungen von Wicklung, Kern und Luftspalt in Zusammenhang mit den entsprechden Topologien folgen:

Eindimensional z. B.

  • Flusswandlertransformatoren ohne bzw. mit vernachlässigbarem Luftspalt
  • Speicherdrosseln mit verteiltem Luftspalt (z. B. Ringkerne aus Kool µ)

 Zweidimensional z. B. 

  • Speicherdrosseln mit konzentriertem Luftspalt 
  • Sperrwandlertransformatoren mit konzentriertem Luftspalt
  • Flusswandlertransformatoren mit konzentriertem Luftspalt (z. B. LLC-Converter)

      mehr dazu in  >>  Grundlagen 

 

Software-Tools für Standard-Topologien

Für Standard-Topologien (Flusswandler eintakt und zweitakt, konventionell und planar, Sperrwandler konventionell und planar, Gleichstromdrossel, PFC-Drossel) gibt es Software-Tools, die die vorgenannten Strom- und Durchflutungskomponenten als periodische  Zeitfunktionen selbständig aus den Eingangs- und Ausgangsdaten der Getäte berechnen. Die Arbeit mit diesen Tools ist äußerst einfach und erfreut sich bei den bisherigen Anwendern größter Beliebtheit.

Die folgenden Arbeitsblätter (Arbeitsfenster) zeigen als Beispiel einen Zweitakt-Flusswandler mit Ue=380V sowie Ua=60V und Ia=40A.

 

Bild 1   Grunddateneingabe/Kernauswahl  

Bild 1 zeigt das Arbeitsblatt für die Eingabe der Eingangs- und Ausgangsdaten sowie die Kernauswahl. Die Wicklungsverlustleistung Pcu/W ist dabei ein erster Schätzwert.  

 

Bild 2   Wicklungsoptimierung/Übertemperaturen

Bild 2 zeigt das Arbeiltsblatt für die Optimierung der Wicklung sowie die Berechnung der Übertemperaturen.

Die folgenden Arbeitsblätter sind für die Entwicklung des induktiven Bauelementes nicht unbedingt erforderlich, sie visualisieren jedoch den theoretischen Hintergrund und gestatten die Untersuchung von Varianten.

 

Bild 3   Strom-/Durchflutung-/Zeit-Eingabe

Am Beispiel der Sekundärwicklung zeigt Bild 3 die Zeitfunktionen der Strom- und Durchflutungskomponenten als Polygon.

 

Bild 4   Strom-/Durchflutung-/Zeit-Grafik

Bild 4 zeigt die Zeitfunktionen von Bild 3 als Grafik.

 

Bild 5   Wicklung/Verlustleistung/Optimierung

Bild 5 zeigt den Aufbau der Sekundärwicklung, die Optimierung des Leiterquerschnittes sowie die Wicklungsverlustleistung.

 

Bild 6   Kern/Flussdichteeingabe/Kernverlustleistung

Bild 6 enthält alle Daten, die zur Berechnung der Kernverlustleistung erforderlich sind.

 

Software-Tool für beliebige Topologien 

Für Anwendungen, die nicht in diese Standard-Lösungen passen, muss der Weg über die Strom-Zeit-Funktionen der Wicklungen gegangen werden. Die für die Berechnung der Kern- und Wicklungsverluste notwendigen Strom- und Durchflutungskomponenten x, y berechnet das Tool selbständig aus den Wicklungsströmen. Dabei wird von der Vorstellung ausgegangen, dass der Entwickler seine Schaltung und damit deren Wicklungsströme kennt (Simulation, Berechnung). Die Hauptaufgaben für den Entwickler sind die Eingabe der Wicklungsströme als Polygon, die Eingabe der Wicklungsdaten einschließlich deren Optimierung (bis maximal 16) und die Eingabe der Randbedingungen (z. B. Luftspaltpositionen und Lage des Wicklungsverbandes im Kernfenster). 

Die folgenden Arbeitsblätter zeigen als Beispiel einen Sperrwandler mit 4 Wicklungen und 2 Ausgangsspannungen, Ue=380V sowie Ua1=25V/2,1A; Ua2=50V/1,05A. Dargestellt ist die Ausgangsspannung 50V(1,05A), Wicklung W03. 

Bild 7   Strom-Zeit-Eingabe als Polygon

In Bild 7 sind vom Entwickler im  Rahmen Wicklungsstrom (schwarz) die Wicklungsströme als Polygon einzutragen. Die restlichen Zeitfunktionen (farbig) werden mit der Taste Prozessor von der Software berechnet. Als Randbedingungen müssen die Luftspaltposition und die Lage des Wicklungsverbandes im Kernfenster angegeben werden.

 

Bild 8   Strom-Zeit-Eingabe als Grafik

Das Arbeitsblatt Bild 8 dient zur Kontrolle des vom Entwickler eingegebenen Wicklungsstromes (schwarz). Die restlichen Zeitfunktionen (farbig) wurden von der Software ermittelt.

 

Bild 9   Wicklungseingabe/Optimierung

Die Eingabe der Wicklungsdaten erfolgt in Bild 9 ähnlich der Bemaßung einer Zeichnung. Mit der Taste Optimierung kann der optimale Leiterquerschnitt ermittelt werden. Mit der Taste Pcu-Verband erhält man die Verluste des gesamten Wicklungsverbandes sowie der einzelnen Wicklungen. 

 

Bild 10   Kernverluste

Die Flussdichte-Zeit-Funktion als Basis für die Berechnung der Kernverluste kann im Bild 10 von der Software aus den Wicklungsströmen berechnet werden oder aber vom Entwickler aus der Spannungs-Zeit-Fläche.

 

Bild 11   Kernauswahl

Optional können die Kerndaten aus diesem Arbeitsblatt Bild 11 ausgewählt werden, wenn der Kern im Tool gelistet ist.

 

Bild 12   Menü

Vom Arbeitsblatt Menü, Bild 12, können alle anderen Arbeitsblätter erreicht werden. In allen Tools (Flusswandler, Sprerrwandler, Gleichstrom-/PFC-Drossel, Tool für beliebige Topologien) können die eingegebenen und berechneten Daten z. B. in einem Projektordner im Windows-Dateimanager abgespeichert werden (Tasten INI-Datei lesen/schreiben). In diesem Arbeitsblatt können auch Eintragungen vorgenommen werden, die dann in allen anderen Arbeitsblätten erscheinen (Feld TypWicklung). 

 

Bild 13   Sonderkerne

Im Arbeitsblatt Bild 13 können selbstentworfene Kerne in Ring-, EE-, oder EI-Bauform eingegeben werden. Solche Kerne entstehen z. B. auch durch Kernstapelung. Weiterhin können im Rahmen Sonder-Kernwerkstoff nicht im Tool gelistete Kernwerkstoffe eingegeben werden. Dieses Arbeitsblatt ist auch in allen anderen Tools vorhanden. 

 

Mit den Software-Tools wird die folgende detailierte Literatur mitgeliefert:

  • Grundlagen der Software-Tools (ca.50 Seiten)
  • Beschreibung der Software-Tools (ca. 70 Seiten)
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