Wärmealterung

Das als Wärmealterung oder thermische Alterung von Pulvereisenkernen bekannte Phänomen ist von der Elektronikbranche in den vergangenen Jahren erfasst worden. Dieses Phänomen ist praktisch exklusiv bei Eisenpulvermaterialien zu finden. Weder Ferrite noch andere Pulverarten wie Molypermalloy (MPP, NiFeMo) sind ähnlich stark betroffen. Die Wärmealterung bezieht sich auf die Eigenschaften von Eisenpulverkernen, wo die Kernverluste extrem ansteigen, wenn der Kern über einen bestimmten Zeitraum hohen Temperaturen ausgesetzt ist. Der erhöhte Kernverlust führt zu einem weniger effizienten Verhalten und kann zur vermehrten Eigenerwärmung durch Hystereseverluste führen, was dann wieder zu mehr Verlusten führt, und so weiter. Im schlimmsten Fall, falls nicht kontrolliert, kann dieser Kreislauf in einem thermisch instabilen Zustand enden. Was dieses Problem noch lästiger macht, ist der Umstand, dass die Zeit bis zum ‚Ausbruch‘ der Wärmealterung je nach Betriebstemperatur Hunderte oder Tausende Stunden betragen kann – also außerhalb der normalen Kontrollmöglichkeiten. Daher, weil nicht erkannt, oder erkennbar, könnte das Problem zu einem möglichen Ausfall im verbauten Zustand führen. Die Wärmealterung hat es bei Eisenpulverkernen vermutlich schon seit langer Zeit gegeben, allerdings war sie früher kein besonderer Anlass zur Sorge, als die Elektronik bei Temperaturen von 65 °C oder darunter funktionieren musste. Aber das Vordringen der Elektronik in höhere Temperaturbereiche mit 85 °C und darüber, zusammen mit der Beliebtheit vergossener Arten von induktiven Bauelementen mit Eisenpulveranteilen, hat dieses Phänomen wieder in den Blickpunkt gerückt. Eisenpulverkernmaterialien haben sich bewährt und als wertvoll erwiesen und sind die beste Wahl für viele Anwendungen, sogar in Hochtemperaturumgebungen, falls geeignete Materialien verwendet werden. Die Coilcraft-Produktfamilien XGL, XEL, XAL, XFL, PFL und XPL verwenden solche Materialien und sind nicht vom Phänomen der Wärmealterung betroffen, wie man den folgenden Abbildungen entnehmen kann. Die Verluste wurden gemessen, nachdem die Kerne über verschiedene Zeiträume unterschiedlichen Temperaturen ausgesetzt gewesen waren. Abbildung 1 zeigt die Stabilität des Materials, das in den induktiven Bauelementen mit Eisenpulverkern von Coilcraft eingesetzt wird – gleichbleibender Kernverlust nach Alterung bei 165 °C für 20.000 Stunden. (Weniger als 5 % Änderung in zwei Jahren bei hoher Temperatur.)

Die folgenden Abbildungen zeigen, dass sich die Eigenschaften anderer induktiver Bauelemente mit Eisenpulverkern bei höheren Temperaturen dramatisch verschlechtern können. Abbildung 2 zeigt einen stabilen Kernverlust bei 85 °C für Coilcraft XAL7030-102 und zwei weitere handelsübliche induktive Bauelemente mit Eisenpulverkern. Bei 125 °C (Abbildung 3) bleibt der Kernverlust für das Coilcraft-Bauelement konstant, zeigt aber bei den anderen Induktivitäten einen leicht ansteigenden Trend.





In den Abbildungen 4 und 5 ist der enorme Anstieg des Kernverlustes durch die Wärmealterung deutlich zu erkennen. Der Kernverlust bei den beiden anderen induktiven Bauelementen ist bereits nach 1500 Stunden bei 155 °C auf das Fünffache angestiegen. Die Alterungskurve verläuft bei einer Wärmealterung bei 165 °C sogar noch wesentlich steiler. In diesem Fall beträgt der Kernverlust bei einem der induktiven Bauelemente fast das Zehnfache seines Ursprungszustandes.




Abbildung 2. 85 °C – Stabiler Kernverlust bei allen drei Induktivitäten. Abbildung 3: 125 °C – Nur das Coilcraft-Bauelement bleibt konstant. Abbildung 4: 155 °C – Die anderen Induktivitäten mit erheblichen Kernverlusten. Abbildung 5: 165 °C – Eine Induktivität mit fast 1000 % Steigerung beim Kernverlust. Die Einzelheiten zu den genau von Coilcraft und den anderen Herstellern eingesetzten Materialien sind hier aus IP-Schutzgründen nicht aufgeführt, weshalb eine präzise Vorhersage der Auswirkungen der Wärmealterung auf die Lebensdauer nicht möglich ist. Ebenso ist es nicht möglich, definitive Aussagen zur Eignung der Bauelemente für den Einsatz in bestimmten Anwendungen zu machen. Die hier bereitgestellten Informationen basieren auf den Prüfergebnissen und sollen lediglich auf das Phänomen der Wärmealterung bei Eisenpulverkernen aufmerksam machen.