Oktober 2009

Ferritmaterial N95 steigert Effizienz von Stromversorgungen

Verluste minimieren

Mit dem neuen Ferritmaterial N95 von EPCOS lassen sich Verluste von Leistungsübertragern in Schaltnetzteilen deutlich senken. Insbesondere im Leerlauf- und Teillastbetrieb steigert sich dadurch die Effizienz der Stromversorgungen.


Die Europäische Kommission hat Anfang April 2009 die Verordnung (EG) Nr. 278/2009 zum Stromverbrauch von Netzteilen erlassen. Das Ziel: 2010 sollen die meisten Strom fressenden ineffizienten Stromversorgungen vom europäischen Markt verschwinden. Die EU erhofft sich dadurch bis 2020 eine Senkung des Stromverbrauchs um bis zu neun Terawattstunden.


Verluste entstehen in Stromversorgungen in den Ferritkernen und Wicklungen von Übertragern. Das Verhältnis zwischen Wicklungs- und Ferritkernverlusten wird als maximaler Wirkungsgrad bei voller Last definiert. Der Wirkungsgrad hängt vom Ferritmaterial, Betriebstemperatur und -frequenz ab. Ein Leistungswandler wird so entwickelt, dass er bei einer festgelegten Betriebstemperatur optimal, das heißt mit maximalem Wirkungsgrad arbeitet. Da die Wicklungsverluste vom Quadrat des Stroms und somit der Last abhängen, verringern sich diese bei kleinen Lasten signifikant. Bei abnehmender Last sinkt die Temperatur und damit der spezifische Widerstand der Wicklungen, was ebenfalls zu einer Reduzierung der Wicklungsverluste beiträgt. Die Verluste in den Leistungs-Ferriten dagegen steigen bei festgelegter Spannung und Frequenz mit sinkenden Temperaturen. Deshalb trägt der Ferritkern hauptsächlich zu den Verlusten des Leistungs-wandlers bei kleinen Lasten oder im Leerlauf bei.


Da das Ferritmaterial so ausgelegt ist, dass es minimale Verluste bei der Betriebstemperatur unter Volllast hat, müssen für einen verbesserten Wirkungsgrad bei Teillast die Kernverluste mit sinkender Temperatur unverändert bleiben.


Im Unterschied zu herkömmlichen Materialien ermöglicht das neue Leistungs-Ferritmaterial N95 diese Verbesserung des Wirkungsgrads und die daraus resultierenden Energieeinsparungen bei Teillast. Es zeichnet sich durch ein flaches Verlustminimum von 315 kW/m3 bei 100 kHz, 200 mT über einen weiten Temperaturbereich zwischen 60 °C und 100 °C aus. Ein weiterer Vorteil ist die hohe Flussdichte: Sie beträgt 525 mT bei 25 °C und 410 mT bei 100 °C. Erhältlich ist es in gängigen sowie kundenspezifischen Kernbauformen, die in Stromversorgungen eingesetzt werden.


Abbildung 1 zeigt einen Vergleich des Temperaturprofils von konventionellen Leistungs-Ferritmaterialien (N87, N97) und dem Material N95 mit extrem flacher Temperaturkurve.

 ABBILDUNG 1: VERLUSTLEISTUNGSVERGLEICH

N95 bietet gegenüber konventionellen Materialien bis zu einer Temperatur von 90 °C eine geringe Verlustleistung.

Bei den Materialien N87 und N97 liegt das Verlustminimum nahe bei 100 °C – typisch für Leistungs-Ferrite. Von den beiden Materialien hat N97 die geringeren Verluste, der Verlauf der Kurve ist dem von N87 ähnlich. Allerdings liegt die Verlustkurve des Materials N95 tiefer und verläuft über den breiten Temperaturbereich zwischen 25 °C und 100 °C verhältnismäßig flach.


Kernverlust, Wicklungsverlust und thermischer Widerstand


Die in Abbildung 1 gezeigten Kurven beziehen sich auf einen spezifischen Kernverlust mit einem sinusförmigen Fluß gemessen an Ringkernen mit einem einheitlichen magnetischen Querschnitt. Diese Daten können für einen Leistungswandler, der eine spezielle Kernform mit einem nicht-sinusförmigen magnetischen Fluss hat, benutzt werden, um die tatsächlichen Verluste mit äquivalenten Frequenzen zu bestimmen. Das Modell basiert auf folgenden Vereinfachungen:

  • Die Frequenz und die Amplitude der Flussdichte bleiben konstant.
  • Die Ausgangsspannung bleibt bei Laständerung unverändert, der Ausgangsstrom verringert sich linear bei Teillasten.
  • Der Leistungswandler hat eine lineare Regelung über den gesamten Lastbereich von Leerlauf bis Volllast.
  • Das Tastverhältnis (duty-cycle) ist variabel, um die Auswirkungen der Regelung zu kompensieren.
  • Der thermische Widerstand ist linear und bleibt bei Änderungen der Umgebungstemperatur konstant.

Die Kernverluste Pcfl, Windungsverluste Pwfl und der Gesamtverlust Ptfl (Summe aus Pcfl und Pwfl) bei Volllast sind in Abbildung 2 für die Bedingungen eines maximalen Wirkungsgrads für einen typischen Übertrager mit Leistungs-Ferrit dargestellt. Für eine Umgebungstemperatur von 50 °C (Tamb1) und einer Betriebstemperatur von 100 °C bei Volllast sind sowohl der Betriebspunkt P1 als auch der thermische Widerstand Rth1 festgelegt.

 ABBILDUNG 2: TYPISCHE VERLUSTLEISTUNGSKURVEN EINES FERRITKERNÜBERTRAGERS

Verlauf der Verlusttemperatur und des thermischen Widerstands für einen typischen Leistungswandler mit Ferritkern bei Volllast und unter Bedingungen mit maximalem Wirkungsgrad.

Bei einem Wechsel zu einer niedrigeren Umgebungstemperatur von 30 °C, bleibt die Neigung des Verlaufs des thermischen Widerstands unverändert, aber der Betriebspunkt verschiebt sich nach P2. In diesem Fall beeinflusst der Übergang auf eine kühlere Umgebung die Verluste im Übertrager praktisch nicht.


Basierend auf dem vereinfachten Modell können die Kurven der Übertrager-Verlusttemperatur (Abbildung 3) bei Volllast (Ptfl), 80 Prozent Last (Pt80%), 50 Prozent Last (Pt50%), 20 Prozent Last (Pt20%) und ohne Last (Pcnl) dargestellt werden. Der gewählte Ferritkern ist ein flacher (low profile) RM14 (RM14lp) und das Leistungsferritmaterial ist N95. Der Wandler arbeitet im Gegentakt (push-pull), das Tastverhältnis ist auf Volllast vereinheitlicht, die Frequenz beträgt 100 kHz, die Amplitude der Flussdichte ist 200 mT, die Umgebungstemperatur liegt bei 50 °C und der Temperaturanstieg bei Volllast beträgt 50 °K. Die Regelung des Übertragers liegt bei 7,5 Prozent zwischen Leerlauf und Volllast. Der Übertrager arbeitet unter den angegebenen Konditionen mit maximalem Wirkungsgrad. Die Durchflussleistung des Wandlers ist 756 W.

 ABBILDUNG 3: VERLUSTLEISTUNG BEI VERSCHIEDENEN LASTFAKTOREN

Verläufe der Verlusttemperatur bei Teillasten für den N95-RM14lp-Gegentakt-Übertrager, f = 100 kHz,
B = 200 mT, gezeigt mit den Verläufen des thermischen Widerstands bei 50 °C und 30 °C Umgebungstemperatur.

Die Betriebspunkte für Volllast, 80 Prozent Last, 50 Prozent Last und Leerlauf sind P1, Q1, R1, S1 für eine Umgebungstemperatur von 50 °C respektive P2, Q2, R2, S2 für eine Umgebungs-temperatur von 30 °C. Aus diesen Kurven lässt sich die Veränderung von Verlust und Temperaturanstieg bei Teillast bestimmen. Der Punkt R1 auf der Kurve ergibt den Arbeitspunkt bei 50 Prozent Last und einer Umgebungstemperatur von 50 °C. Die Übertragerverluste betragen 5,55 W bei einer Betriebstemperatur von 73 °C.


Abbildung 4 zeigt die Einsparpotentiale bei Ersatz eines konventionellen N87-RM14lp-Kerns durch die Materialien N97 und N95.


Aus der Verlustreduzierung resultiert eine direkte Energieeinsparung: Angenommen, die durchschnittliche Last am Wandler beträgt 50 Prozent bei einer Umgebungstemperatur von 50 °C (Punkt R1 Abb. 3), so beträgt die Energieeinsparung pro Jahr in 1000 Stück dieser Wandler 11.400 kWh beim Ersatz von N87 durch N95 und 6100 kWh beim Ersatz von N87 durch N97. Bei einer Umgebungstemperatur von 30 °C (Punkt R2 Abb. 3) betragen die Einsparungen sogar 17.500 kWh beim Ersatz von N87 durch N95 und 5500 kWh beim Ersatz von N87 durch N97. Während N97 bei einer Umgebungstemperatur von 50 °C eine höhere Energieeinsparung zwischen 90 Prozent und Volllast als beim Material N95 aufweist, sind die Einsparungen durch N95 eindeutig besser in allen Lastbereichen bei einer Umgebungstemperatur von 30 °C.

 ABBILDUNG 4: EINSPARPOTENTIALE

Die unmittelbare Energieeinsparung durch das Ersetzen des N87-RM14lp-Kerns durch N97 und N95 im Gegentaktwandler bei 100 kHz und 200 mT.

Weniger Klimatisierung erforderlich

Die Energieeinsparung bei niedriger Umgebungstemperatur ist bei N95 größer als bei N97. Ein Temperaturanstieg spielt eine wesentliche Rolle in den Energieeinsparungen, da sich die Stromversorgungen für Serveranwendungen in den meisten Fällen in einer klimatisierten Umgebung befinden. Ein geringerer Temperaturanstieg bringt somit zusätzliche indirekte Energieeinsparungen. Der Leistungsbedarf einer herkömmlichen Klimaanlage liegt bei rund 3,5 kW pro Tonne klimatisierter Luft, und erhöht sich proportional mit steigender Temperatur. Mit einem Wandlerwirkungsgrad von 90 Prozent kann allein der Übertrager rund 15 Prozent der von der Klimaanlage benötigten Leistung verbrauchen, was rund 550 W pro Tonne Luft entspricht.


Die eingesparte Energie durch den Wechsel von N87 auf N95 beträgt 830 kWh pro Tonne Luft und Jahr allein bei der Klimaanlage – eine deutliche Entlastung der Umwelt.

Autor: Probal Mukherjee, Product Development Ferrites

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