Beim Design elektronischer Geräte dienen Induktivitäten als ausgeklügelte "Stromregler", die elektrische Schwankungen durch Energiespeicherung und -freisetzung glätten. Der oft übersehene Magnetkern in diesen Bauteilen spielt eine entscheidende Rolle bei der Bestimmung der Leistungseigenschaften. Die Auswahl geeigneter Kernmaterialien und -geometrien wirkt sich direkt auf Effizienz, Größe, Kosten und Zuverlässigkeit in verschiedenen Anwendungen aus.

Als Stromfiltergeräte dienen Induktivitäten in erster Linie dazu, abrupte Stromänderungen zu unterdrücken. Während der AC-Stromspitzen speichern sie Energie und geben sie anschließend frei, wenn der Strom abnimmt. Hocheffiziente Leistungsinduktivitäten erfordern typischerweise Luftspalte in ihren Kernstrukturen, die zwei Zwecken dienen: Energiespeicherung und Verhinderung der Kernsättigung unter Lastbedingungen.

Luftspalte reduzieren und kontrollieren effektiv die Permeabilität (μ) der magnetischen Struktur. Da μ = B/H (wobei B die Flussdichte und H die magnetische Feldstärke darstellt), ermöglichen niedrigere μ-Werte die Unterstützung einer größeren Feldstärke, bevor die Sättigungsflussdichte (Bsat) erreicht wird. Kommerzielle weichmagnetische Materialien halten im Allgemeinen Bsat-Werte zwischen 0,3 T und 1,8 T ein.

Verteilte Luftspalte: Dieses Verfahren, das beispielsweise bei Pulverkernmaterialien angewendet wird, isoliert magnetische Legierungspartikel durch Bindemittel oder Hochtemperaturbeschichtungen auf mikroskopischer Ebene. Verteilt angeordnete Spalte eliminieren Nachteile, die bei diskreten Spaltstrukturen auftreten – einschließlich abruptem Sättigungsverhalten, Streuverlusten und elektromagnetischer Interferenz (EMI) – und ermöglichen gleichzeitig kontrollierte Wirbelstromverluste für Hochfrequenzanwendungen.

Diskrete Luftspalte: Diese Konfiguration, die üblicherweise in Ferritkernen verwendet wird, profitiert von der hohen Resistivität keramischer Materialien, was zu geringen AC-Kernverlusten bei hohen Frequenzen führt. Allerdings weisen Ferrite niedrigere Bsat-Werte auf, die mit steigender Temperatur deutlich abnehmen. Diskrete Spalte können abrupte Leistungseinbrüche an Sättigungspunkten verursachen und Wirbelstromverluste durch Streueffekte erzeugen.

MPP-Kerne: Diese aus Nickel-Eisen-Molybdän-Legierungspulver bestehenden Ringkerne mit verteilten Spalten bieten die zweitniedrigsten Kernverluste unter den Pulvermaterialien. Ihr 80 % Nickelgehalt und die komplexe Verarbeitung führen zu einem Premium-Preis.

High Flux-Kerne: Pulverkerne aus Nickel-Eisen-Legierung weisen überlegene Bsat-Werte auf und bieten eine außergewöhnliche Induktivitätsstabilität bei hoher DC-Vorspannung oder AC-Spitzenströmen. Ihr 50 % Nickelgehalt macht sie 5–25 % wirtschaftlicher als MPP.

Kool Mμ-Serie: Kerne aus Eisen-Silizium-Aluminium-Legierung bieten eine MPP-ähnliche DC-Vorspannungsleistung ohne den Nickel-Kostenaufschlag. Die Ultra-Variante erzielt die niedrigsten Kernverluste – annähernd die Leistung von Ferriten, während die Vorteile von Pulverkernmaterialien erhalten bleiben.

XFlux-Serie: Kerne aus Silizium-Eisen-Legierung bieten eine überlegene DC-Vorspannungsleistung im Vergleich zu High Flux zu reduzierten Kosten. Die Ultra-Version behält die gleiche Sättigung bei und reduziert gleichzeitig die Kernverluste um 20 %.

Induktivitätsanwendungen lassen sich im Allgemeinen in drei Kategorien einteilen, die jeweils unterschiedliche Designherausforderungen darstellen:

1. Kleine DC-Induktivitäten mit geringen AC-Restströmen (fensterbegrenzte Designs)
2. Große DC-Induktivitäten (sättigungsbegrenzte Designs)
3. AC-lastige Induktivitäten (kernverlustbegrenzte Designs)

Für eine 500-mA-DC-Stromanwendung, die eine Induktivität von 100 μH erfordert, erzielen MPP-Ringkerne die kompaktesten Designs durch eine höhere Permeabilität (300 μ). Kool Mμ-Alternativen bieten erhebliche Kostenvorteile trotz größerer Grundflächen.

In 20-A-DC-Stromszenarien zeigen High Flux-Kerne eine optimale thermische Leistung, da hohe Bsat-Werte eine reduzierte Windungszahl und Kupferverluste ermöglichen. E-Kern-Geometrien mit Kool Mμ-Materialien stellen praktikable Alternativen mit flacheren Designs dar.

Für Anwendungen mit 8 A Peak-to-Peak-AC-Restströmen ermöglichen die überlegenen Verlustcharakteristika von MPP-Materialien kleinere, effizientere Induktivitäten. High Flux-Kerne erfordern niedrigere Permeabilitätsauswahlen, um die Kernverluste zu kontrollieren, während Kool Mμ-E-Kerne Kosten und Leistung in Einklang bringen.

Das optimale Kernmaterial hängt von anwendungsspezifischen Einschränkungen ab, einschließlich räumlicher Anforderungen, Effizienzzielen, Anforderungen an das Wärmemanagement und Kostenüberlegungen. MPP zeichnet sich in verlustarmen Anwendungen aus, High Flux dominiert raumbegrenzte Hochvorspannungsszenarien, während die Kool Mμ-Serie kostengünstige Alternativen in verschiedenen Geometrien bietet.