Termiskt åldrande i komponenter som effektdrosslar har blivit ett stort problem, eftersom elektroniken blir allt mindre och mer effektkrävande. Prestanda och livslängd för drosslar som används i krafttillämpningar, som t.ex. DC-DC-omvandlare och fordonssystem, påverkas av detta fenomen, som orsakas av långvarig exponering för höga temperaturer.
För att bekämpa termisk åldrande har Würth Elektronik utvecklat högtemperaturdrosslar med förbättrad driftsäkerhet och prestanda. Ta reda på mer om Würth Elektronik-drosslarnas funktioner och hur de kan användas i olika tillämpningar genom att läsa den här artikeln.
Vad orsakar termiskt åldrande?
Termen ”termisk åldrande” beskriver hur värme gradvis eroderar det magnetiska kärnmaterialet i effektdrosslarna. Högtemperaturmaterial, som t.ex. järnlegeringar som används i kärnan, förlorar sina magnetiska egenskaper när de utsätts för temperaturer över 100 °C. Detta förvärrar degenereringen genom att höja de interna temperaturerna, minska effektiviteten och öka kärnförlusterna. På grund av deras frekventa exponering för värmecykling, utsätts högströmsdrosslar för en särskilt märkbar åldringseffekt.
Mekanism för termisk åldrande
Den största delen av termisk åldrande i effektdrosslar sker i kärnan. Kärnan i gjutna effektdrosslar är sammansatt av järnlegering eller annat kompakterat magnetiskt material (läs nedan). Kärnans egenskaper försämras vid upprepad exponering för värme. Drosselns förmåga att hantera höga strömmar kan försämras med åldern, särskilt i miljöer med höga belastningar. Drosseln kan utsättas för ökande värmealstring och minskade prestanda över tiden. System som DC-DC-omvandlare kan bli mindre effektiva till följd av denna försämring, vilket kan leda till fel.
Magnetiska material för effektdrosslar
Olika magnetiska material är möjliga för tillverkning av drosslar, inklusive traditionella ferriter (Mn-Zn, Ni-Zn, Ni-Cu-Zn), mjuka magnetiska metaller (Si-Fe, amorft, nanokristallint material) och pulverformiga metallegeringar (Fe-Si, Fe-Ni, Fe-Co). Medan kärnor av metallegeringspulver har hög permeabilitet, har deras isolerade kornstruktur icke-magnetiska spalter som minskar den effektiva permeabiliteten (μe) till under 200. Ferriter och mjuka magnetiska metaller, som har hög permeabilitet (>1000), kräver spalter, men detta lutar hystereskurvan och ökar strömmen som behövs för att nå mättnad.
Pulveriserade magnetiska legeringar erbjuder två till tre gånger högre mättnadsflödestäthet jämfört med keramiska material, vilket gör dem lämpliga för olika applikationer. Dessa legeringar är belagda med ett isolerande skikt och bundna med en polymer för att bilda mjuka magnetiska kompositer (SMC). Denna struktur minimerar virvelströmsförluster och ger ett jämnt fördelad spalt längs den magnetiska banan, vilket gör SMC-kärnor idealiska för högströms- och högfrekvent drift.
I SMC-enheter reduceras virvelströmmar på grund av isoleringen mellan partiklar, vilket förbättrar prestandan i högfrekventa tillämpningar jämfört med ferriter och ledande mjuka metaller. SMC-enheter uppvisar också bättre DC-biashantering och temperaturstabilitet, vilket gör dem utmärkta för tillämpningar med hög ström och effekttäthet. Långsiktig temperaturstabilitet kan dock äventyras när den utsätts för höga temperaturer under långa perioder vid drift med höga frekvenser.
Termiskt åldrande i gjutna effektdrosslar
Långvarig exponering för höga temperaturer gör att gjutna effektdrosslar åldras termiskt, vilket successivt minskar deras funktion. Effektdrosslar används ofta i högströmstillämpningar och pålitlig drift kräver en förståelse av det terminska åldrandet.
Termisk åldringseffekt i gjutna materialblandningar
Enligt Würth Elektroniks dataär högre effektförluster, ökad självuppvärmning, ökad elektromagnetisk emission (EMI) och en försäkrad kvalitetsfaktorn Q vid höga frekvenser några tecken på termisk åldrande. En observerbar händelse som kan vara kopplad till försämrade prestanda är ett förändrat utseendet på kärnmaterialet. Kärnmaterialet, exponeringstiden och kärntemperaturen har alla en direkt inverkan på omfattningen av dessa förändringar. Olika gjutna effektdrosslar har testats vid 200 °C i 1000 timmar för att få bättre kunskap om den första effekten av termiskt åldrande. Nedanstående bilder illustrerar hur materialets utseende generellt påverkas av stigande temperaturer.
Järnpulvrets bindemedel och isolerande skikt bryts ner under långa tidsperioder vid höga temperaturer, vilket sänker materialets resistivitet. AEC-Q200-godkända gjutna effektdrosslar finns tillgängliga från vissa tillverkare; ändå skiljer sig en godkänd drossen med och utan ett robust termiskt åldringsskydd i hög grad. Som framgår av bilden nedan blir detta tydligare vid en närmare granskning av de testade komponenterna.
Den missfärgningseffekt som ses i den första bilden beror på att beläggningsmaterialet sammanfogas och att komponenternas isolering mellan partiklarna bränns. Det isolerande lagret på partikelytan och de små luftspalterna i SMC-materialet reduceras vid högre temperaturer, eftersom komponenterna verkar släppa in i pulverpartiklarna från gränsen.
Båda illustrationerna visar effekterna av förhöjda temperaturer på kärnmaterialet, trots att drosseln är godkänd för AEC-Q200 klass 0 (-55 °C till +150 °C).
Hur termiskt åldrande påverkar systemets prestanda
Termisk åldrande kan ha betydande konsekvenser för system som förlitar sig på enhetlig strömförsörjning, som t.ex. fordons-, industri- och telekomsektorerna. Drosslarnas förmåga att motstå transienter och toppströmmar minskar med åldern. Om detta inte kontrolleras, kan det leda till problem med spänningsreglering, ineffektivitet i strömomvandlare eller till och med totalt systemfel.
Würth Elektroniks studiefall: test av en effektdrossel
Würth Elektronik testade sina nya WE-LHMI gjutna effektdrosslar, klassade för 10 µH, mot populära konkurrentprodukter med liknande storlek och induktans. Totalt 100 prover utsattes för 200 °C i en klimatkammare under 1000 timmar, med periodiska mätningar av L- och Q-värden. Drosslarna uppfyller AECQ klass 0- och klas 1-kvalifikationer, med en maximal driftstemperatur över 150 °C.
Som visas i diagrammet nedan förblev 10 µH induktansen inom en ±20 % tolerans vid 100 kHz under hela testet, vilket indikerar att standarddatabladsmätningar kanske inte visar prestandaförändringar.
Följande bild indikerar dock att kvalitetsfaktorn Q minskar med långvariga höga temperaturer, även för drosslar med utmärkt AEC-Q200-klassificering, trots stabila induktansvärden.
Gjutna WE-LHMI-effektdrosslar uppvisar stabilitet över tid, i motsats till vissa konkurrerande drosslar som uppvisar en konstant minskning av Q-värdet. Till skillnad från konkurrenter, som får stigande driftstemperaturer, garanterar denna stabilitet förbättrad effektivitet och långsiktig tillförlitlighet i högtemperaturapplikationer.
Q-värden och L-mätningar är nästan i linje vid låga frekvenser, men det finns märkbara prestandaförsämringar över 100 kHz.
Hur kan man mildra termisk åldrande i effektdrosslar?
- Materialval
Ett av de mest effektiva sätten att minska termiskt åldrande är att använda högpresterande kärnmaterial. Till exempel kan material med högre Curie-temperaturer, som t.ex. förbättrade järnlegeringar, behålla sina magnetiska egenskaper under längre perioder under värmebelastning. - Högtemperaturbeständiga drosslar
Avancerade drosslar, som Würth Elektroniks WE-MAPI- och WE-LHMI--serierna, är konstruerade för att tåla kontinuerlig drift vid temperaturer upp till 150 °C. Dessa komponenter, som är godkända enligt AEC-Q200-standarderna, visar hög motståndskraft mot termiskt åldrande. Efter 1000 timmars testning vid 200 °C uppvisar dessa drosslar en minimal prestandaförsämring. - Termisk design
Korrekt värmehantering i konstruktionsfasen kan också förlänga livslängden för drosslar. Effektiv kylfläns, luftflödesoptimering och kretsplacering spelar en roll för att förhindra att komponenter överhettas.
Välj långsiktig driftsäkerhet med Würth Elektronik
Moderna konstruktioner lägger stor vikt vid att välja komponenter med bevisad termisk åldringsbeständighet, eftersom den termiska stabiliteten är så viktig. Konstruktörer kan garantera långsiktig driftsäkerhet, lägre underhållskostnader och förhindra oplanerade systemavbrott genom att använda drosslar med hög temperaturklassificering.
Würth Elektronik är en av få leverantörer som erbjuder drosslar med högtemperaturklassificering. Deras serie är utformad för att uppfylla de högsta kraven inom industri-, fordons- och krafttillämpningar och är förberedda att motstå påfrestningarna från termiskt åldrande.
För mer information, kolla in Würth Elektroniks omfattande material om termiskt åldrande här.
