Induktive Bauelemente in Industrie und aktuelle Forschung

Abstract:
Induktive Bauelemente sind zentrale Bestandteile in getakteten Umrichtersystemen. Dem Entwickler stehen hier zahlreiche Topologien zur Verfügung, bei denen magnetische Bauteile die Funktionen der Energieübertragung, -speicherung und Filterung bzgl. EMV übernehmen. Bei der Auswahl solcher Komponenten und deren Dimensionierung mündet dies in ein mehrdimensionales Problem: Steht ein guter Wirkungsgrad im Vordergrund, bedeutet dies meist geringe Verluste im Kern und Wickel, was durchaus einer kleinen Baugröße entgegenstehen kann. Ist eine galvanische Trennung von Ein- und Ausgang erforderlich, müssen bei einem Transformator zumeist auch Normen wie Luft- und Kriechstrecken eingehalten werden. Wird die Schaltfrequenz beim Einsatz von Wide-Bandgap Halbleiterschaltern entsprechend hoch gesetzt, kann meist die maximal mögliche Flussdichte nicht mehr ausgenutzt werden. Die Herausforderungen in Richtung Entwärmung und Temperaturfestigkeit erfordern deutlich verbesserte Isoliersysteme. Die Isolierungen sollen dabei nicht nur den sicheren Betrieb gewährleisten, sondern auch Schutz gegen elektrischen Schlag bei Spitzenspannungen teilweise bis zu über 1000 V bieten. Hohe Temperaturgradienten innerhalb der Bauteile führen bei falscher Dimensionierung durch die verschiedenen Ausdehnungs-Koeffizienten der Materialen zu kritischen Belastungen. Darüber hinaus ist eine montage- und anschlussfreundliche Konstruktion ein Kriterium für Zuverlässigkeit und Wirtschaftlichkeit. Im Allgemeinen aber lässt sich feststellen, dass aufgrund ihrer Baugröße im Wesentlichen die passiven Bauelemente (Kondensatoren und magnetische Bauelemente) die Leistungsdichte (kW/ dm³ bzw. kW/ kg) eines leistungselektronischen Systems bestimmen. Induktive Bauelemente wie Entstördrosseln, Ansteuertrafos, Leistungsübertrager und Hoch- und Tiefsetzstellerdrosseln müssen dem in der Industrie geschuldeten Grundsatz genügen, kleiner, leichter und kostengünstiger zu sein, um wettbewerbsfähig zu bleiben. Der folgende Beitrag beleuchtet die Herstellung von magnetischen Materialien, die Auswahl von Komponenten im Entwicklungsprozess sowie Trends bei induktiven Bauelementen.