Termisk aldring i komponenter som effektspoler har blitt et viktig problem i takt med at elektroniske komponenter stadig mindre og mer strømkrevende. Når komponenter i kraftapplikasjoner utsettes for høye temperaturer over lengre tid påvirkes ytelsen og levetiden, i systemer som DC/DC-omformere og i bilsystemer.
For å motvirke dette har Würth Elektronik utviklet høytemperaturspoler med forbedret pålitelighet og ytelse. Les denne artikkelen for å finne ut mer om spoler fra Würth Elektronik og hvordan de kan brukes.
Hva forårsaker termisk aldring?
Begrepet «termisk aldring» handler om hvordan varme gradvis tærer på det magnetiske kjernematerialet i effektspoler. Høytemperaturmaterialer som jernlegeringene mister sine magnetiske egenskaper når de utsettes for temperaturer på over 100 °C. Dette forverrer degenereringen ved å øke de indre temperaturene, reduserer effektiviteten og øker kjernetapene. Fordi høyeffektspoler utsettes for hyppige varmesykluser har de en spesielt merkbar aldringseffekt.
Hva skjer?
Størstedelen av den termiske aldringen i effektspoler skjer i kjernen. Kjernen i støpte effektspoler består av en jernlegering eller et annet komprimert magnetisk materiale (se nedenfor). Kjernens egenskaper forringes ved gjentatt eksponering for varme. Spolens evne til å håndtere høye strømmer kan forringes over tid, spesielt i driftsmiljøer med høy belastning. Spolene kan oppleve økende varmeutvikling og dermed redusert ytelse over tid. Systemer som DC/DC-omformere kan bli mindre effektive som følge av denne forringelsen, noe som kan resultere i feil.
Magnetiske materialer
Det finnes ulike magnetiske materialer tilgjengelig, inkludert tradisjonelle ferritter (Mn-Zn, Ni-Zn, Ni-Cu-Zn), mykmagnetiske metaller (Si-Fe, amorfe, nanokrystallinske) og metallegeringer i pulverform (Fe-Si, Fe-Ni, Fe-Co). Selv om kjerner med metallegeringspulver har høy permeabilitet, introduserer den isolerte kornstrukturen ikke-magnetiske hull som reduserer den effektive permeabiliteten (μe) til under 200. Ferritter og mykmagnetiske metaller, som har høy permeabilitet (>1000) må tettes, men dette vipper hysteresekurven og øker strømmen som trengs for å nå metning.
Magnetiske legeringer i pulverform gir to til tre ganger høyere metningsflukstetthet sammenlignet med keramiske materialer, noe som gjør dem egnet for ulike bruksområder. Disse legeringene har et isolerende lag og bundet med en polymer for å danne myke magnetiske kompositter (soft magnetic composites – SMC). Denne strukturen minimerer virvelstrømstap og gir et jevnt fordelt gap langs den magnetiske banen, noe som gjør SMC-kjerner ideelle for drift med høy strømstyrke og høy frekvens.
I SMC reduseres virvelstrømmer på grunn av isolasjonen mellom partiklene, noe som gir bedre ytelse i høyfrekvensapplikasjoner sammenlignet med ferritter og ledende myke metaller. SMC har også bedre DC-forspenningshåndtering og temperaturstabilitet, noe som gjør dem ypperlige for applikasjoner med høy strømstyrke og effekttetthet. Den langsiktige temperaturstabiliteten kan imidlertid svekkes når de utsettes for høye temperaturer i lengre perioder samtidig som de brukes ved høye frekvenser.
Termisk aldring i støpte effektspoler
Som vi har nevnt fører langvarig eksponering for høye temperaturer til at støpte effektspoler eldes termisk og at de derfor mister funksjonaliteten. Effektspoler brukes ofte i applikasjoner med høy strømstyrke, og pålitelig drift krever at man forstår termisk aldring.
Effekt i støpte materialer
Ifølge Würth Elektronik er høyere effekttap, økt selvoppvarming, økt elektromagnetisk stråling (EMI) og en nedgang i kvalitetsfaktoren Q ved høye frekvenser noen av tegnene på termisk aldring. En observerbar hendelse er endringer i kjernematerialets utseende, og dette kan ha sammenheng med nedgang i ytelse. Kjernematerialet, eksponeringstiden og kjernetemperaturen har alle en direkte innvirkning på hvor mye disse endringene varierer. Forskjellige støpte effektspoler har blitt testet ved 200°C i 1000 timer for å få bedre kunnskap om den første effekten av termisk aldring. Bildene nedenfor illustrerer hvordan materialets utseende generelt påvirkes av økende temperaturer.
Bindemidlene og det isolerende laget i jernpulveret brytes ned over lengre tid ved høye temperaturer, noe som reduserer materialets resistivitet. AEC-Q200-kvalifiserte støpte effektspoler er tilgjengelige fra enkelte produsenter, men det er stor forskjell på en kvalifisert spole med og uten en robust termisk aldringsforbedring. Som det fremgår av bildet nedenfor, blir dette tydeligere når man ser nærmere på de testede komponentene.
Misfargingen på det første bildet skyldes at belegningsmaterialet blander seg og at isolasjonen mellom komponentene brenner. Det isolerende laget på partikkeloverflaten og de små luftspaltene i SMC-materialet reduseres ved høyere temperaturer fordi komponentene ser ut til å sive inn i pulverpartiklene fra grenseflaten.
Begge illustrasjonene viser effekten av høye temperaturer på kjernematerialet, til tross for at spolen er godkjent for AEC-Q200 klasse 0 (-55°C til +150°C).
Hvordan påvirkes systemytelsen?
Termisk aldring kan ha betydelige konsekvenser for systemer som er avhengige av jevn strømforsyning, for eksempel i bil-, industri- og telekomsektoren. Spolens evne til å motstå transienter og toppstrømmer avtar over tid. Hvis dette ikke kontrolleres, kan det føre til problemer med spenningsreguleringen, ineffektivitet i strømomformerne eller til og med total systemsvikt.
Würth Elektroniks casestudie: Test av en effektspole
Würth Elektronik testet sine nye WE-LHMI- støpte effektspoler mot populære konkurrenter med tilsvarende størrelse og induktans. Spolene har en nominell effekt på 10 µH. Totalt 100 prøver ble utsatt for 200°C i et klimakammer i 1000 timer, med periodiske målinger av L- og Q-verdier. Spolene oppfyller AECQ-kvalifikasjonene grad 0 og grad 1, med en maksimal driftstemperatur på over 150°C.
Som det fremgår av grafen nedenfor, holdt induktansen på 10 µH seg innenfor en toleranse på ±20% ved 100 kHz gjennom hele testen, noe som understreker at standard databladmålinger kanskje ikke avslører ytelsesendringer.
Bildet nedenfor viser imidlertid at kvalitetsfaktor Q synker ved høye temperaturer over lengre tid, selv for spoler med utmerkede AEC-Q200-klassifiseringer, til tross for stabile induktansverdier.
Spolene WE-LHMI viser stabilitet over tid, i motsetning til enkelte konkurrerende spoler som viser en konstant nedgang i Q-verdien. I motsetning til konkurrerende produkter som opplever stigende driftstemperaturer, garanterer denne stabiliteten forbedret effektivitet og langsiktig pålitelighet i bruksområder med høye temperaturer.
Q-verdiene og L-målingene stemmer nesten overens ved lave frekvenser, men det er en merkbar nedgang i ytelsen over 100 kHz.
Hvordan kan termisk aldring motvirkes?
- Materialvalg
En av de mest effektive måtene å redusere termisk aldring på, er å bruke høytytende kjernematerialer. Materialer med høyere Curie-temperatur, som for eksempel forbedrede jernlegeringer, kan for eksempel opprettholde sine magnetiske egenskaper i lengre perioder under varmebelastning. - Høytemperaturbestandige spoler
Avanserte spoler, som Würth Elektroniks WE-MAPI – og WE-LHMI- serier, er utviklet for å tåle kontinuerlig drift ved temperaturer på opptil 150°C. Disse komponentene er kvalifisert i henhold til AEC-Q200-standarden, og har høy motstandskraft mot termisk aldring. Etter 1000 timers testing ved 200°C viser disse spolene minimal ytelsesforringelse. - Termisk utforming
Riktig termisk styring i designfasen kan også forlenge levetiden til spoler. Effektivt kjøleelement, optimering av luftstrøm og plassering av kretser spiller alle en rolle når det gjelder å forhindre overoppheting av komponenter.
Langsiktig pålitelighet fra Würth Elektronik
Moderne designpraksis legger stor vekt på å velge komponenter med dokumentert motstand mot termisk aldring, fordi termisk stabilitet er så viktig. Utviklere kan garantere langsiktig pålitelighet, redusere vedlikeholdskostnadene og forhindre uplanlagte systemavbrudd ved å bruke høytemperaturklassifiserte spoler.
Würth Elektronik er en av få leverandører som tilbyr spoler med høy temperaturklassifisering. Serien er utviklet for å oppfylle de strengeste kravene innen industri, bilindustri og kraftapplikasjoner, og er klar til å motstå påkjenningene ved termisk aldring.
For mer informasjon, se Würth Elektroniks omfattende veiledning om termisk aldring her.
