Messtechnische Charakterisierung und Vorhersage der Kernverluste bei weichmagnetischen Ferriten

Language
de
Document Type
Doctoral Thesis
Issue Date
2021-06-14
Issue Year
2021
Authors
Stenglein, Erika
Editor
Abstract

Inductive components are a key factor in the development and optimization of switched-mode power supplies. Efficiency, size, weight and cost significantly depend on the inductors and transformers utilized in such power converters. Accordingly, magnetic components should be optimized to best suit a given application. As a proper design requires an accurate prediction of the dissipated energy in the core, this thesis deals with the measurement and modeling of core losses in soft ferrites. These materials are frequently employed in the field of power electronics.

This thesis aims to develop a reliable core loss model well suited for the design of inductive components. Since reliable measurement data form the basis for any model development, the core losses of the investigated ferrites N87, N49, 3F3, 3C90 and 3C97 are measured in a first step. To obtain the dissipated energy in the cores under test for practically relevant cases, this work first identifies typical core excitations occurring in switched-mode power supplies. Subsequently, two test rigs are set up for measuring core losses at low and higher frequencies up to 500 kHz. Well-defined measurement procedures enable the investigation of core losses under various excitations. While the standard approach provides experimental data depending on the DC bias of the magnetic field strength, both test rigs allow the measurement of core losses as a function of the DC bias of the magnetic flux density. As the experiments performed in this thesis show, core loss data should be derived as a function of the DC bias of the magnetic flux density for the results to be directly of practical use to hardware designers. Due to their high flexibility, both measurement set-ups can also be applied to study the influence of magnetic history on core losses. This issue is usually not further discussed in literature.

Based on the obtained experimental data, this thesis derives a compact core loss model in a second step. The proposed approach separates the core losses into the classical eddy-current losses and the specific core losses. The former loss component is modeled in both the frequency- and time-domain. By using the representation in the time-domain, the non-linear and hysteretic properties of soft ferrites can be incorporated in the calculation of the classical eddy-current losses. To predict specific core losses for arbitrary core excitations including DC bias, an empirical approach is developed that shows good agreement with the measurement results. The proposed model covers a wide frequency range and only requires frequency-independent parameters that can be extracted from a limited number of measurements. In addition, this method offers a high simulation/calculation speed and can be easily integrated into optimization routines of inductive components. Compared to the common core loss models proposed in literature, the developed approach thus offers some benefits.

Abstract

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.

DOI
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