Magnetkreise

Entwurf komplexer magnetischer Komponenten

Toroid-Drossel

Drosseln und Transformatoren sind Schlüsselkomponente moderner leistungselektronischer Schaltungen. Verglichen mit anderen passiven Bauelementen sind sie aus folgenden Gründen relativ schwierig zu modellieren:

  • Magnetische Komponenten, insbesondere Transformatoren mit mehreren Wicklungen, können komplexe geometrische Strukturen aufweisen. Der Fluss im magnetischen Kern teilt sich oft in verschiedene Pfade mit unterschiedlichen magnetischen Eigenschaften auf. Zusätzlich zum Hauptfluss im Kernmaterial hat jede Winding eigene Streuflüsse.
  • Kernmaterialien wie Eisenlegierungen und Ferrite besitzen ein stark nichtlineares Verhalten. Bei großen Flussdichten sättigt das Kernmaterial, was bei Induktivitäten zu erheblich reduzierten Impedanzen führt. Darüberhinaus verursachen Hysterese-Effekte und Wirbelströme frequenzabhängige Verluste.

In PLECS kann der Benutzer komplexe magnetische Komponenten in einer speziellen magnetischen Domäne aufbauen, die auf der Permeanz-Kapazitäts-Analogie basiert. Grundelemente wie Wicklungen, Kerne und Luftspalten finden sich in der Bauteilbibliothek. Durch Verbinden dieser Elemente gemäß der physikalischen Geometrie kann der Benutzer äquivalente Schaltkreise für magnetische Komponenten erstellen. Die verfügbaren Kernmodelle beinhalten Sättigung und Hysterese. Frequenzabhängige Verluste können mit magnetischen Widerständen modelliert werden. Wicklungen bilden die Schnittstelle zwischen der elektrischen und magnetischen Domäne.

Alternativ können weniger komplexe magnetische Komponenten wie sättigbare Drosseln und einphasige Transformatoren direkt in der elektrischen Domäne modelliert werden.

Anwendungsbeispiel: Cuk-Konverter

Ein isolierter Cuk-Konverter mit integrierten magnetischen Komponenten wurde in PLECS modelliert. Ist die magnetische Kopplung zwischen den Windungen richtig gewählt, arbeitet der Konverter ohne Stromrippel am Ein- und Ausgang.

Der magnetische Kreis besteht aus zwei gegenüberliegenden E-Kernen, die durch einen Luftspalt getrennt sind.