Navigation

MA – Untersuchungen zur Leistungsdichte von PFC-Drosseln

Untersuchungen zur Leistungsdichte von PFC-Drosseln unter Berücksichtigung unterschiedlicher Kernmaterialien und Schaltfrequenzen

Kurzzusammenfassung

In der vorliegenden Arbeit werden anhand der Spezifikation eines Ladegeräts für batterieelektrische Fahrzeuge die Kernmaterialklassen der metallischen Pulver, Ferrite und amorphen Legierungen hinsichtlich ihres Einsatzes in PFC-Drosseln untersucht. Es erfolgt die Betrachtung des minimal realisierbaren Volumens der Spule in Abhängigkeit der Schaltfrequenz. Dafür werden die thermische Erwärmung der Komponente sowie die Sättigung des Kernmaterials als limitierende Faktoren berücksichtigt.

Durch analytische Ansätze wird die in der Drossel anfallende Verlustleistung unter Berücksichtigung unterschiedlicher Kernmaterialien, Schaltfrequenzen und Volumina sowie der Einflussfaktoren Induktivitätswert, Kerngeometrie und Windungsanordnung berechnet. Mittels einer thermischen Ersatzanordnung erfolgt aus den Ergebnissen der Verlustberechnung die Ermittlung des minimal realisierbaren Volumens einer PFC-Drossel.

Für eine gute thermische Anbindung und geringe Schaltfrequenz resultieren bei Verwendung von metallischen Pulvern die geringsten Drosselvolumina. Mit wachsender Schaltfrequenz und größer werdendem thermischen Übergangswiderstand weisen Ferritkernspulen hinsichtlich des minimal realisierbaren Volumens zunehmend Vorteile auf. Im Vergleich erfordern geschlossene Ringkerne auf Basis amorpher Legierungen zur Vermeidung der Sättigung ein großes Volumen.

Abstract

In this thesis, the core material classes of metallic powders, ferrites and amorphous alloys are investigated with regard to their use in PFC chokes on the specification of a charger for battery electric vehicles. The minimum feasible volume of the coil is considered as a function of the switching frequency. The thermal heating of the component and the saturation of the core material are taken into account as limiting factors.

Analytical approaches are used to calculate the power dissipation in the choke, considering different core materials, switching frequencies and volumes as well as other influencing factors such as different inductance values, core dimensions and winding configurations. By means of a thermal equivalent circuit, the minimum achievable volume of a PFC choke is determined from the results of the loss calculation.

With good thermal bonding and at low switching frequency, the use of metallic powder results in the smallest choke volumes. As the switching frequency increases and the thermal contact resistance increases, coils with ferrite core offer greater advantages with regard to the minimum achievable volume. In comparison, closed toroidal cores based on amorphous alloys require large volumes to avoid saturation.

Bearbeiter: Nikolai Weitz

Betreuer: Stefan Ditze (Fraunhofer IISB) – Telefon: 09131-761225; Email: Stefan.Ditze@iisb.fraunhofer.de;

Stefan Ehrlich (Fraunhofer IISB) – Telefon: 09131-761556; Email: Stefan.Ehrlich@iisb.fraunhofer.de

Für Studienfächer: EEI

Verantwortlicher: Prof. Dr.-Ing. Martin März