Magnetische Komponenten in Stromrichtern verstehen

Magnetische Bauteile spielen eine wichtige Rolle in leistungselektronischen Wandlersystemen, da sie Energiepufferung, galvanische Trennung und Spannungsverhältnisumwandlung bieten und einen erheblichen Einfluss auf die Gesamtleistung des Systems hinsichtlich Energieeffizienz und dynamischem Verhalten haben Die Auswahl geeigneter magnetischer Komponenten ist von grundlegender Bedeutung für die Erreichung einer optimalen Wandlerleistung, da diese Komponenten direkt die Effizienz, die Leistungsdichte, das Wärmemanagement und die elektromagnetische Verträglichkeit beeinflussen.

Magnetische Komponenten - Induktivitäten und Transformatoren - werden in praktisch jedem Stromrichter für ihre Energiespeicherung und galvanische Isolationsfähigkeiten verwendet, obwohl diese Komponenten schwierig und unintuitiv zu entwerfen sind, insbesondere für den Betrieb bei hohen Frequenzen.

Die ständig steigende Nachfrage nach Leistungsdichte Leistungselektronik-Konvertern macht die Gestaltung optimierter magnetischer Komponenten zu einer Herausforderung. Ingenieure müssen mehrere konkurrierende Ziele ausbalancieren, einschließlich der Minimierung der Größe, der Reduzierung von Verlusten, der Verwaltung der thermischen Leistung und der Aufrechterhaltung der Zuverlässigkeit unter unterschiedlichen Betriebsbedingungen.

Arten von magnetischen Komponenten und ihre Funktionen

Induktivitäten

In Stromrichteranwendungen dienen Induktoren mehreren kritischen Funktionen, einschließlich Energiespeicherung in Schaltreglern, Stromwellfilterung und Leistungsfaktorkorrektur. Die Fähigkeit der Induktivität, Stromänderungen entgegenzuwirken, macht es für die Glättung von Ausgangsspannungen und die Verwaltung der Energieübertragung in Buck-, Boost- und Buck-Boost-Topologien unerlässlich.

Bei einigen Stromwandlungssystemen bestimmt die Wicklungsinduktivität die Stromwandlungseffizienz und den Ausgangsspannungspegel des Systems, und bei Basisschaltwandlern bestimmt die Induktivität auch den auf der Ausgangsseite des Systems beobachteten Welligkeitsgrad, wobei der Induktivitätswert direkt die Stromwelligkeitsgröße beeinflusst, was wiederum den Kondensatorbedarf, das Einschwingverhalten und den Gesamtsystemwirkungsgrad beeinflusst.

Die Induktivität erscheint oft als größte Komponente des Wandlers, was zu kontinuierlichen Bemühungen führt, das Induktordesign für die Größenreduzierung zu optimieren und gleichzeitig die Leistungsspezifikationen einzuhalten. Moderne Hochfrequenzwandler ermöglichen kleinere Induktivitätswerte, die sich in physisch kleinere Komponenten übersetzen können, obwohl dies mit Kompromissen bei Kern- und Wicklungsverlusten einhergeht.

Transformatoren

Ein Transformator ist ein Gerät, das aus zwei oder mehr Induktoren besteht, von denen eine durch Wechselstrom versorgt wird, wodurch eine Wechselspannung über die zweite Induktivität induziert wird, und wenn die zweite Induktivität mit einer Last verbunden ist, wird die Energie von der Stromquelle der ersten Induktivität an diese Last elektromagnetisch gekoppelt.

Die in einem Transformator mit Strom versorgte Induktivität wird als Primärwicklung bezeichnet, während die in einem Transformator mit Strom versorgte Induktivität als Sekundärwicklung bezeichnet wird. Das Windungsverhältnis zwischen Primär- und Sekundärwicklung bestimmt das Spannungstransformationsverhältnis, so dass Entwickler die Spannung nach oben oder unten stufen können, wie es die Anwendung erfordert. Diese Spannungstransformationsmöglichkeit ist für isolierte DC/DC-Wandler, Rückstromwandler, Vorwärtswandler und verschiedene Resonanztopologien von grundlegender Bedeutung.

Über die einfache Spannungstransformation hinaus müssen Transformatoren in Stromrichtern zusätzliche Überlegungen wie Streuinduktivität, Magnetisierungsinduktivität und Wicklungskapazität berücksichtigen. Die Streuinduktivität wird durch die Teile des magnetischen Flusses verursacht, die die Primär- und Sekundärwicklungen nicht verbinden, und bei den meisten Transformatoren sollte die Streuinduktivität minimiert werden. Übermäßige Streuinduktivität kann zu Spannungsspitzen bei Schaltübergängen führen, was zusätzliche Teilbremskreise erfordert und möglicherweise den Wirkungsgrad reduziert.

Drosseln und EMI-Filter

Andere Magnete, wie Ferritdrosseln und -platten, passen nicht in die oben genannten Verpackungs- und Funktionsbeschränkungen, da sie an bestimmten Orten in einem System eingesetzt werden und ihre Funktion darin besteht, Rauschen zu blockieren/filtern. Common-Mode-Drosseln verwenden gekoppelte Wicklungen auf einem gemeinsamen Kern, um Common-Mode-Rauschen zu unterdrücken, während differentielle Signale relativ ungehindert passieren können.

Diese Bauteile sind von entscheidender Bedeutung, um die Anforderungen an die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) zu erfüllen und zu verhindern, dass leitungsgeführte und abgestrahlte Emissionen die gesetzlichen Grenzwerte überschreiten.

Wesentliche Berechnungen für die Auswahl magnetischer Komponenten

Induktivitätsberechnungen

Die Induktivität hängt von der Anzahl der Windungen und der Geometrie der Spule ab, und da es mehrere Arten von Spulen gibt, bedeutet dies, dass es mehr als eine Formel zur Berechnung der Induktivität gibt. Die grundlegende Induktivitätsgleichung bezieht sich auf die Anzahl der Windungen, die Kerndurchlässigkeit, die Querschnittsfläche und die magnetische Weglänge. Bei einer einfachen Induktivität mit einem magnetischen Kern kann die Induktivität anhand der Beziehung, die diese geometrischen und materiellen Eigenschaften berücksichtigt, angenähert werden.

Die Grundinduktivitätsformel für einen Kern mit einheitlichem Querschnitt beinhaltet die Permeabilität des Kernmaterials, die Anzahl der Windungen im Quadrat, die effektive Querschnittsfläche und die magnetische Weglänge. Die Solenoidformel wird für lange zylindrische Spulen verwendet, bei denen die Spulenlänge viel größer ist als ihr Durchmesser, während Ringspulen wie ein Donut geformt sind und bei verringerter elektromagnetischer Interferenz kompakt sind, wodurch sie sich perfekt für die Leistungselektronik eignen.

Für praktische Konstruktionsarbeiten liefern viele Kernhersteller einen AL-Wert (Induktivitätsfaktor), der die Berechnungen vereinfacht. Der AL-Wert stellt die Induktivität pro Windung zum Quadrat für eine bestimmte Kerngeometrie und ein bestimmtes Kernmaterial dar. Mit diesem Parameter kann die erforderliche Anzahl von Windungen direkt aus dem gewünschten Induktivitätswert berechnet werden, wodurch der Entwurfsprozess rationalisiert und der Bedarf an komplexen geometrischen Berechnungen reduziert wird.

Aktuelle Ratingberechnungen

Die Stromstärken für magnetische Bauteile umfassen mehrere Überlegungen, einschließlich der Gleichstromfähigkeit, der Handhabung von Wechselstromwellstrom und der Grenzen des Sättigungsstroms. Die Gleichstromstärke bezieht sich typischerweise auf die thermischen Grenzen der Wicklung, die durch die Drahtmessgröße, den Wicklungswiderstand und die Fähigkeit des Bauteils zur Wärmeabfuhr bestimmt werden. Die Kupferverluste in der Wicklung nehmen mit dem Quadrat des RMS-Stroms zu, wodurch das Wärmemanagement bei Hochstromanwendungen ein Hauptanliegen ist.

Der Sättigungsstrom stellt den Gleichstrompegel dar, bei dem das Kernmaterial zu sättigen beginnt, was zu einem erheblichen Abfall der Induktivität führt. Der Betrieb dieser Induktivität ist durch einen mittleren Strom von ungleich null gekennzeichnet, der häufig die Annahme eines nicht vernachlässigbaren Luftspalts erfordert, um die tiefe Sättigung des magnetischen Materials zu vermeiden, und eine Begrenzung der Größenreduzierung des Kerns darstellt.

Die beliebtesten Induktivitätswerte liegen zwischen 0,1 μH und 1,5 μH, wobei Spitzenströme auf 30 A und Wellenströme auf 40 % und höher steigen, und unter diesen Bedingungen werden Kernverluste zu einem bedeutenden Faktor bei der Induktorauswahl. Das Wellenstromverhältnis, definiert als Verhältnis von Wechselstrom-Ripplestrom zu Gleichstrom, wirkt sich erheblich auf Kern- und Wicklungsverluste aus und muss bei der Auswahl der Komponenten sorgfältig berücksichtigt werden.

Flussdichte und Kernsättigung

Die magnetische Flussdichte (B) im Kernmaterial ist ein kritischer Parameter, der unterhalb der Sättigungsflussdichte (Bsat) des Kernmaterials gehalten werden muss. Die Flussdichte wird durch die angelegte Spannung, Frequenz, Windungszahl und Kernquerschnittsfläche bestimmt. Durch Überschreiten der Sättigungsflussdichte sinkt die Kernpermeabilität drastisch ab, was zu einer starken Abnahme der Induktivität und einer entsprechenden Erhöhung des Magnetisierungsstroms führt.

Die Beziehung zwischen Spannung, Frequenz und Flussdichte wird durch das Faradaysche Gesetz der elektromagnetischen Induktion beschrieben. Bei gegebener Kerngeometrie und Windungszahl tritt die maximale Flussdichte bei der niedrigsten Betriebsfrequenz und der höchsten angelegten Spannung auf. Die Konstrukteure müssen bei allen Betriebsbedingungen, einschließlich der Worst-Case-Kombinationen von Eingangsspannung, Einschaltzyklus und Temperatur, einen ausreichenden Spielraum unterhalb der Sättigungsflussdichte gewährleisten.

Amorphe Materialien auf Eisenbasis weisen eine höhere relative Permeabilität und Sättigungsflussdichte auf als Ferrite und wettbewerbsfähige spezifische Verlusteigenschaften. Die Wahl des Kernmaterials wirkt sich direkt auf die erreichbare Flussdichte und die erforderliche Kerngröße für eine bestimmte Anwendung aus. Materialien mit höherer Sättigungsflussdichte ermöglichen kleinere Kernvolumina oder höhere Leistungsaufnahme bei gleicher Packungsgröße.

Verlustberechnungen

Die Gesamtverluste bei magnetischen Bauteilen bestehen aus Kernverlusten und Wicklungsverlusten, zu denen Hystereseverluste und Wirbelstromverluste zählen, die beide mit der Frequenz und der Flussdichte zunehmen. Zwei Hauptverlustmechanismen - Entspannungseffekt und Wirbelstromeffekt - werden mit den statischen Hysteresemodellen kombiniert, und der Wirbelstromeffekt tritt bei metallbasierten Kernen auf, bei denen die Materialleitfähigkeit mit zunehmender Anregungsfrequenz zum Kernverlust beiträgt.

Die Wicklungsverluste bestehen aus Gleichstromwiderstandsverlusten (I2R-Verluste) und Wechselstromverlusten durch Hauteffekt und Proximity-Effekt. Die spezifischen Leiterwirbelstrommechanismen werden als "Skin-Effekt" und "Näherungseffekt" bezeichnet, die bei Hochstromleitern von Mehrlagenwicklungen, insbesondere bei Hochfrequenzwandlern, am stärksten ausgeprägt sind. Bei hohen Frequenzen neigt der Strom dazu, nahe der Oberfläche von Leitern zu fließen (Skin-Effekt) und wird durch Magnetfelder von benachbarten Leitern beeinflusst (Proximity-Effekt), die beide den effektiven Widerstand über den Gleichstromwert hinaus erhöhen.

Die meisten Magnet-Leitlinien empfehlen eine Kern-Kupfer-Verlustverteilung von mindestens 50-50, aber 30-70 ist eigentlich vorzuziehen, da es einfacher ist, die Wärme von der Wicklung gegenüber dem Kernmaterial abzuführen, da Kupfer eine höhere Wärmeleitfähigkeit als Ferrit oder Eisenpulver hat.

Kernmaterialauswahl und -eigenschaften

Ferritwerkstoffe

Ferrite sind keramische Verbindungen aus Eisenoxid in Kombination mit anderen metallischen Elementen wie Mangan, Zink oder Nickel. Ferrite bieten einen hohen Widerstand, der die Wirbelstromverluste bei hohen Frequenzen minimiert, so dass sie für die meisten Hochfrequenz-Stromwandleranwendungen die bevorzugte Wahl sind. Das Relaxationseffektmodell gilt typischerweise für Ferritmaterialien unter intermittierender PWM-Anregung.

Verschiedene Ferritsorten sind für bestimmte Frequenzbereiche und Betriebsbedingungen optimiert. MnZn-Ferrite (Mangan-Zink) arbeiten typischerweise gut von Dutzenden Kilohertz bis zu mehreren Megahertz und bieten eine hohe Permeabilität und Sättigungsflussdichte. NiZn-Ferrite (Nickel-Zink) erstrecken sich auf höhere Frequenzen, oft in die Zehner oder Hunderte von Megahertz, haben jedoch im Allgemeinen eine geringere Permeabilität und Sättigungsflussdichte im Vergleich zu MnZn-Materialien.

Die Temperatureigenschaften von Ferritmaterialien sind wichtige Aspekte, da die Permeabilität und die Kernverluste mit der Temperatur variieren. Die meisten Ferrite weisen eine Curie-Temperatur auf, bei deren Überschreitung sie ihre magnetischen Eigenschaften verlieren. Die Betriebstemperaturen sollten deutlich unterhalb dieses Grenzwerts gehalten werden, und die Konstrukteure müssen temperaturabhängige Parameterschwankungen über den erwarteten Betriebsbereich hinweg berücksichtigen.

Pulverförmige Eisenwerkstoffe

Pulverförmige Eisenkerne bestehen aus mit einem isolierenden Material beschichteten und in die gewünschte Form komprimierten Eisenpartikeln. Diese verteilte Luftspaltstruktur bietet ausgezeichnete DC-Bias-Eigenschaften, so dass pulverförmige Eisenkerne besonders für Anwendungen mit signifikanten Gleichstromkomponenten geeignet sind. Der verteilte Spalt verringert die Tendenz zur lokalisierten Sättigung und ermöglicht eine stabilere Induktivität unter variierenden Strombedingungen.

Pulverförmige Eisenmaterialien haben im Allgemeinen eine geringere Permeabilität als Ferrite, können jedoch höhere Sättigungsflussdichten bewältigen. Der N87-Ferrit, das Xflux60-Siliziumeisenpulver und das Metglas 2605 SA-1 eisenbasierte amorphe Material werden in der vorliegenden Analyse betrachtet. Die geringere Permeabilität erfordert mehr Umdrehungen für eine gegebene Induktivität, aber die überlegene DC-Bias-Leistung macht diesen Kompromiss oft in Anwendungen wie Ausgangsinduktoren für DC-DC-Wandler lohnend.

Kernverluste in pulverförmigen Eisenwerkstoffen sind bei hohen Frequenzen tendenziell höher als bei Ferriten, was ihre Verwendung hauptsächlich auf Anwendungen unter mehreren hundert Kilohertz beschränkt, jedoch machen sie ihre Wirtschaftlichkeit und ihre hervorragenden DC-Bias-Eigenschaften zu beliebten Entscheidungen für viele Stromversorgungsanwendungen, insbesondere im Frequenzbereich von 20 kHz bis 200 kHz.

Amorphe und nanokristalline Materialien

Amorphe Metalllegierungen, auch bekannt als metallische Gläser, werden durch schnelles Abkühlen von geschmolzenen Metalllegierungen hergestellt, was zu einer nichtkristallinen Atomstruktur führt. Diese Materialien bieten sehr geringe Kernverluste, eine hohe Sättigungsflussdichte und eine hohe Permeabilität. Amorphe Materialien sind besonders attraktiv für hocheffiziente Anwendungen, bei denen die Minimierung von Verlusten von größter Bedeutung ist, obwohl sie typischerweise mit höheren Kosten verbunden sind als Ferrite oder Eisenpulver.

Nanokristalline Materialien stellen eine fortschrittliche Klasse weichmagnetischer Materialien mit extrem feiner Kornstruktur dar. Sie vereinen viele der besten Eigenschaften sowohl von Ferriten als auch von amorphen Materialien und bieten sehr geringe Kernverluste, eine hohe Sättigungsflussdichte, eine ausgezeichnete Temperaturstabilität und eine hohe Permeabilität. Diese Materialien ermöglichen eine erhebliche Verringerung der Größe und des Gewichts bei magnetischen Komponenten bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung oder Verbesserung des Wirkungsgrads.

Die überlegene Leistung von amorphen und nanokristallinen Materialien geht mit Kompromissen einher, die höhere Materialkosten, anspruchsvollere Herstellungsprozesse und manchmal mechanische Sprödigkeit beinhalten. Diese Materialien finden sich am häufigsten in High-End-Anwendungen, bei denen die Leistung die zusätzlichen Kosten rechtfertigt, wie z. B. Luft- und Raumfahrtstromsysteme, hocheffiziente Serverstromversorgungen und Umrichter für erneuerbare Energien.

Wesentliche Auswahlkriterien

Die Auswahl des für die geforderten Spezifikationen am besten geeigneten Materials und der richtigen Kerngröße sind entscheidende Faktoren des Entwurfsprozesses, die die Leistung des realisierten Bauteils stark beeinflussen.

Für Hochfrequenzanwendungen oberhalb von 500 kHz sind Ferritmaterialien aufgrund ihrer geringen Wirbelstromverluste typischerweise die beste Wahl. Für Anwendungen mit signifikantem DC-Vorspannungsstrom, wie Ausgangsinduktivitäten in Tiefsetzstellern, kann Eisenpulver oder andere verteilte Lückenmaterialien bevorzugt werden. Für maximale Effizienz in Hochleistungsanwendungen können amorphe oder nanokristalline Materialien ihre höheren Kosten durch geringere Verluste und verbesserte Leistungsdichte rechtfertigen.

Kritische Designüberlegungen

Air Gap Design und Implementierung

Die Einführung eines Luftspaltes verringert die effektive Permeabilität des Kerns, wodurch die Induktivität für eine bestimmte Anzahl von Windungen verringert wird, die Stromhandhabbarkeit jedoch erheblich erhöht wird, bevor die Sättigung eintritt.

Durch die Einführung eines Luftspaltes in einen Magnetkern wird die effektive Permeabilität und damit auch der AL-Wert verringert. Die Luftspaltlänge muss sorgfältig berechnet werden, um die gewünschte Induktivität zu erreichen und gleichzeitig einen ausreichenden Spielraum gegen Sättigung zu bieten. Bei vielen Ausführungen speichert der Luftspalt einen erheblichen Teil der gesamten magnetischen Energie, insbesondere bei Anwendungen mit hohen Gleichstromanteilen.

Die Erfindung betrifft eine Lösung, bei der die Vorteile und Nachteile der Herstellungskomplexität, der Fringflusseffekte und der EMI-Erzeugung berücksichtigt werden. Durch Fringfluss um Luftspalte können Wirbelströme in nahe gelegenen Leitern induziert und die Verluste durch Näherungseffekte in Wicklungen erhöht werden, was eine sorgfältige Berücksichtigung der Wicklungsplatzierung und -abschirmung erfordert.

Windungsdesign und -konfiguration

Die Auswahl der Drahtlehre, der Anzahl der Windungen und der Wicklungsanordnung muss die elektrischen, thermischen und mechanischen Anforderungen erfüllen.

Für Hochfrequenzanwendungen kann Litzdraht (mehrere isolierte Litzen, die miteinander verdrillt sind) die Wechselstromverluste erheblich reduzieren, indem der Strom gleichmäßiger über den Leiterquerschnitt verteilt wird. Folienwicklungen bieten einen weiteren Ansatz für Hochstromanwendungen mit niedriger Umdrehungszahl, was eine ausgezeichnete Stromverteilung und Wärmeleistung bietet. Die Wahl zwischen Runddraht, Litzdraht und Folie hängt von Frequenz, Stromstärke und Herstellungserwägungen ab.

Die Wicklungsanordnung wirkt sich auf Streuinduktivität, Wicklungskapazität und Näherungseffektverluste aus. Die Verschaltung von Primär- und Sekundärwicklungen in Transformatoren verringert die Streuinduktivität und verbessert die Kopplung, erhöht jedoch die Wicklungskapazität. Die Schicht-zu-Schicht-Isolation muss für die vorhandenen Spannungsbelastungen ausreichend sein, mit zusätzlichem Spielraum für Transienten und Sicherheitsanforderungen in isolierten Umrichtern.

Wärmemanagement

Die Wärmebehandlung ist für den zuverlässigen Betrieb und die Langlebigkeit von magnetischen Bauteilen von entscheidender Bedeutung. Sowohl Kern- als auch Wicklungsverluste erzeugen Wärme, die abgeführt werden muss, um einen übermäßigen Temperaturanstieg zu verhindern. Kernwerkstoffe haben maximale Betriebstemperaturen, bei denen es zu dauerhaften Verschlechterungen oder Verlusten magnetischer Eigenschaften kommen kann.

Die Wärmeabfuhr von magnetischen Bauteilen erfolgt durch Leitung zur Leiterplatte oder Montagefläche, Konvektion zu umgebender Luft und Strahlung. Der Wärmewiderstand vom heißesten Punkt des Bauteils zur Umgebung bestimmt den Temperaturanstieg bei gegebener Leistungsabfuhr. Größere Bauteile weisen im Allgemeinen eine bessere Wärmeleistung aufgrund der vergrößerten Oberfläche auf, was jedoch dem Ziel der Minimierung der Größe widerspricht.

Bei der Wärmeauslegung sind die ungünstigsten Betriebsbedingungen, einschließlich der maximalen Umgebungstemperatur, der maximalen Verlustleistung und des minimalen Kühlluftstroms, zu berücksichtigen. Bei der Berechnung des Temperaturanstiegs ist sowohl das stationäre als auch das transiente Wärmeverhalten zu berücksichtigen. In einigen Fällen können Luftkühlungen, Kühlkörper oder thermische Grenzflächenmaterialien erforderlich sein, um akzeptable Betriebstemperaturen aufrechtzuerhalten.

Anforderungen an Isolierung und Sicherheit

Die Anforderungen an die Isolierung von magnetischen Bauteilen hängen von der Anwendung ab, insbesondere davon, ob eine galvanische Trennung erforderlich ist und welche Spannungspegel vorhanden sind. Sicherheitsnormen wie IEC 60950, IEC 62368 und UL 60950 legen Mindestgleis- und Abstandsabstände, Isolationsarten und Prüfanforderungen für isolierte Stromversorgungen fest.

Bei Transformatoren, die eine Sicherheitsisolierung gewährleisten, ist eine verstärkte Isolierung zwischen Primär- und Sekundärwicklungen erforderlich, wobei es sich um mehrere Schichten von Isolationsband, physikalischen Barrieren oder Vergussmassen handeln kann. Das Isolationssystem muss nicht nur den normalen Betriebsspannungen, sondern auch transienten Überspannungen und Hochpotentialprüfungen während der Herstellung standhalten.

Die Abstände zwischen den Windungen und zwischen den Windungen und dem Kern müssen den in den geltenden Sicherheitsnormen festgelegten Mindestwerten entsprechen, die von der Betriebsspannung, dem Verschmutzungsgrad und der Materialgruppe des Isolationssystems abhängen.

Design-Methoden und Optimierung

Flächenproduktmethode

Die Area Product (Ap)-Methode bietet einen systematischen Ansatz für die anfängliche Kernauswahl auf der Grundlage von Anforderungen an die Energiehandhabung. Das Area Product wird definiert als das Produkt aus der Kernfensterfläche (für Wicklungen verfügbar) und der Kernquerschnittsfläche. Dieser Parameter korreliert stark mit der Energiehandhabbarkeit eines magnetischen Bauteils und ermöglicht es Designern, geeignete Kerngrößen schnell einzugrenzen.

Die Flächenproduktmethode berücksichtigt sowohl die Stromtrageanforderung (die die im Fenster benötigte Leiterfläche bestimmt) als auch das Spannungs-Zeit-Produkt (das die erforderliche Kernquerschnittsfläche bestimmt, um Sättigung zu vermeiden). Durch die Berechnung des erforderlichen Flächenprodukts aus den Anwendungsspezifikationen können Konstrukteure Kandidatenkerne aus Herstellerkatalogen identifizieren, die die grundlegenden Größenanforderungen erfüllen.

Die Flächenproduktmethode bietet zwar einen nützlichen Ausgangspunkt, geht aber nicht direkt auf Verluste, thermische Leistung oder Detailoptimierung ein. Zusätzliche Analysen sind erforderlich, um zu überprüfen, ob der ausgewählte Kern die Effizienzziele und thermischen Einschränkungen erfüllen kann. Die Methode eignet sich am besten für die Erstmessung und den Vergleich verschiedener Kerngeometrien auf einer konsistenten Basis.

Geometrische Konstante (Kg) Methode

Magnetische Elemente wie Filterinduktivitäten werden nach der Methode der geometrischen Konstante (Kg) entwickelt. Die Methode der Kg erweitert den flächenbezogenen Produktansatz, indem sie die Einschränkungen der Verlustdichte und des Temperaturanstiegs direkt in den Kernauswahlprozess einbezieht. Die geometrische Konstante kombiniert die Parameter der Kerngeometrie in einer Weise, die sich auf die Fähigkeit des Bauteils bezieht, Verluste zu reduzieren, während ein bestimmter Temperaturanstieg aufrechterhalten wird.

Mit dieser Methode können Konstrukteure Kerne auswählen, die sowohl die elektrischen als auch die thermischen Anforderungen gleichzeitig erfüllen. Durch die Angabe des zulässigen Temperaturanstiegs und der erwarteten Verlustdichte kann der erforderliche Kg-Wert berechnet werden. Kerne mit Kg-Werten, die gleich oder größer als der erforderliche Wert sind, können die thermischen Einschränkungen erfüllen und gleichzeitig die erforderliche elektrische Leistung erbringen.

Das Kg-Verfahren ist besonders nützlich für das Induktordesign in Schaltwandlern, bei denen das Wärmemanagement oft ein limitierender Faktor ist, und bietet einen umfassenderen Designansatz als das Bereichsproduktverfahren allein, obwohl es immer noch eine Iteration erfordert, um das Design für minimale Größe, Kosten oder Verluste je nach Anwendungsprioritäten zu optimieren.

Multi-Objektive Optimierung

Die Optimierung von magnetischen Komponenten beinhaltet typischerweise Kompromisse zwischen mehreren konkurrierenden Zielen, einschließlich der Minimierung der Größe, der Minimierung der Verluste, der Kosten und der Maximierung der Zuverlässigkeit. Kein einzelnes Design wird gleichzeitig alle Ziele optimieren, was von den Designern verlangt, basierend auf Anwendungsanforderungen Prioritäten zu setzen.

Die Minimierung der Kerngröße und der Verluste sind kontrastreiche Ziele, da ein auf die Verringerung des Volumens ausgerichteter Entwurfsansatz zu einer höheren Verlustleistung und Temperatur von magnetischen Komponenten führt. Kleinere Kerne arbeiten mit höheren Flussdichten und Stromdichten, was sowohl die Kern- als auch die Wicklungsverluste erhöht. Umgekehrt können übergroße Komponenten die thermischen und Effizienzziele leicht erfüllen, was jedoch zu Lasten von Größe, Gewicht und Kosten geht.

Moderne Optimierungsansätze verwenden häufig numerische Methoden, um den Designraum zu erkunden und Pareto-optimale Lösungen zu identifizieren, die die bestmöglichen Kompromisse zwischen konkurrierenden Zielen darstellen. Diese Methoden können mehrere Kernmaterialien, Geometrien und Wicklungskonfigurationen gleichzeitig berücksichtigen und Designs identifizieren, die durch manuelle Iteration schwer zu finden wären. Software-Tools, die Optimierungsalgorithmen enthalten, können die Designzeit erheblich reduzieren und gleichzeitig die Leistung verbessern.

Praktische Design-Tools und Ressourcen

Hersteller-Design-Tools

Die meisten Halbleiter- und Magnethersteller bieten Online-Parametriewerkzeuge für die Geräteauswahl an, die Leistungs-MOSFETs, Dioden, Induktoren und manchmal Transformatoren abdecken, und diese webbasierten Werkzeuge ermöglichen es Ingenieuren, Komponenten nach Spannungsbewertung, Strom, Kernmaterial, Sättigungsgrenzen, Paket, Gleichstromwiderstand und anderen Schlüsselparametern zu filtern.

Hersteller wie Coilcraft und Wurth haben auf ihren Websites Core-Plus-AC-Verlustrechner, die es einfacher machen, den optimalen Induktorwert für eine bestimmte Anwendung zu bestimmen. Diese Rechner enthalten oft detaillierte Verlustmodelle und thermische Analysefunktionen, so dass Designer die Leistung von Komponenten unter realistischen Betriebsbedingungen bewerten können, bevor sie sich an ein bestimmtes Teil binden.

Viele Hersteller bieten auch Design-Leitfäden, Anwendungshinweise und Referenz-Designs, die bewährte Verfahren für die Auswahl und Implementierung von magnetischen Komponenten demonstrieren. diese Ressourcen können die Lernkurve für Designer, die neu in der Leistungselektronik sind oder mit unbekannten Topologien oder Materialien arbeiten, erheblich beschleunigen.

Simulations- und Analysesoftware

Bei passiven Komponenten helfen diese Plattformen dabei, die schlimmsten Belastungen zu bestimmen, weich- oder hartschaltende Regime in Induktoren und Transformatoren zu überprüfen und die Interaktion zwischen Magneten, Kondensatoren und Regelschleifen zu validieren, bevor sie sich zu einer benutzerdefinierten Kern- oder Wicklungsstrategie verpflichten. Schaltungssimulationswerkzeuge wie SPICE, PSIM, PLECS und SIMPLIS ermöglichen es Designern, magnetische Komponenten in kompletten Wandlerschaltungen zu modellieren und die Leistung unter verschiedenen Betriebsbedingungen zu bewerten.

Finite-Elemente-Analyse-Tools (FEA) bieten detaillierte elektromagnetische und thermische Modellierungsmöglichkeiten für magnetische Komponenten. Diese Werkzeuge können Flussverteilung, Verlustdichte, Hot Spots und elektromagnetische Feldmuster mit hoher Genauigkeit vorhersagen. FEA ist besonders wertvoll für die Optimierung komplexer Geometrien, die Analyse von Fringing-Flux-Effekten und die Validierung von Designs vor der Prototypenfertigung.

Spezialisierte Magnet-Design-Softwarepakete kombinieren analytische Design-Methoden mit Komponentendatenbanken und Optimierungsalgorithmen. diese Werkzeuge rationalisieren den Design-Prozess durch Automatisierung von Berechnungen, Vorschlag geeigneter Kerne und die Erstellung detaillierter Design-Dokumentation einschließlich Wicklungsspezifikationen und erwartete Leistungsmerkmale.

Messung und Charakterisierung

Die genaue Charakterisierung von magnetischen Komponenten ist für die Validierung von Designs und das Verständnis der tatsächlichen Leistung von wesentlicher Bedeutung. Wichtige Messungen umfassen Induktivität gegen Strom (zur Charakterisierung des Sättigungsverhaltens), Gleichstromwiderstand, Wechselstromimpedanz gegen Frequenz und Kernverluste. Spezialisierte Testgeräte wie Impedanzanalysatoren, B-H-Kurvenverläufer und Kernverlusttestsätze ermöglichen diese Messungen.

Die thermische Charakterisierung beinhaltet die Messung des Temperaturanstiegs unter realistischen Betriebsbedingungen. Thermoelemente, Infrarotkameras oder Wärmebildsysteme können Hot Spots identifizieren und überprüfen, dass Temperaturgrenzen nicht überschritten werden. Thermische Messungen sollten möglichst in der tatsächlichen Anwendungsumgebung durchgeführt werden, da die Kühlbedingungen die thermische Leistung erheblich beeinflussen können.

Bei Transformatoren umfassen zusätzliche Messungen die Überprüfung des Windungsverhältnisses, die Streuinduktivität, die Magnetisierungsinduktivität und die Wicklungskapazität. Diese Parameter beeinflussen den Betrieb des Wandlers und sollten mit den Auslegungszielen verglichen werden. Hipot-Tests überprüfen die Isolationsintegrität und sind für sicherheitskritische Anwendungen erforderlich.

Anwendungsspezifische Überlegungen

Buck Converter Induktivitäten

Die Ausgangsinduktivitäten der Tiefsetzsteller müssen den vollen Ausgangsstrom plus die Hälfte des Ripple-Stroms verarbeiten, wobei die DC-Vorspannung gleich dem Ausgangsstrom ist. Diese DC-Vorspannung erfordert entweder einen Luftspalt in Hochdurchlässigkeitskernen oder die Verwendung von verteilten Lückenmaterialien wie Eisenpulver. Der Induktivitätswert beeinflusst die Ripple-Stromgröße, was die Anforderungen des Ausgangskondensators und das transiente Verhalten beeinflusst.

Die wichtigsten Faktoren, auf die man hier achten sollte, sind der Ripple-Strom und das Ripple-Strom-Verhältnis. Typische Ripple-Strom-Verhältnisse liegen zwischen 20% und 40% des Ausgangsgleichstroms, was einen Kompromiss zwischen Drosselgröße, Wirkungsgrad und Ausgangsspannungswelligkeit darstellt. Niedrigere Ripple-Verhältnisse erfordern größere Induktivitätswerte und physikalisch größere Induktivitäten, reduzieren jedoch die Anforderungen an Ausgangskondensatoren und verbessern den Wirkungsgrad bei leichten Lasten.

Die Auswahl des Kernmaterials für Tiefstinduktoren hängt von der Schaltfrequenz und der Leistungsstufe ab. Bei Frequenzen unter 200 kHz bieten pulverförmige Eisenkerne oft die beste Kombination aus Kosten und Leistung. Bei höheren Frequenzen werden Ferritkerne mit entsprechenden Luftspalten aufgrund geringerer Kernverluste attraktiver. Die Induktivität muss so ausgelegt sein, dass sie unter ungünstigsten Bedingungen, einschließlich maximalem Ausgangsstrom und transienter Überlast, keine Sättigung aufweist.

Flyback-Transformatoren

Flyback-Transformatoren fungieren als gekoppelte Induktivitäten, speichern während der Einschaltzeit Energie und übertragen sie während der Ausschaltzeit an den Ausgang. Die im Kern gespeicherte Energie kann durch eine zweite Wicklung auf demselben Kern extrahiert werden, wie in der Flyback-Topologie, wobei die Magnetisierungsinduktivität den Spitzenprimärstrom und die pro Schaltzyklus gespeicherte Energie bestimmt, was sich direkt auf die Transformatorgröße und -verluste auswirkt.

Die Länge der Lücke muss sorgfältig berechnet werden, um die gewünschte Magnetisierungsinduktivität zu erreichen, wobei sicherzustellen ist, dass der Kern nicht bei dem Spitzenprimärstrom sättigt. Ein Fringfluss um die Lücke kann zusätzliche Verluste in nahe gelegenen Wicklungen verursachen, was eine sorgfältige Wicklungsplatzierung und manchmal die Verwendung von Kupferschirmen erfordert.

Die Leckageinduktivität bei Sperrtransformatoren verursacht Spannungsspitzen beim Abschalten, die geklemmt oder gedämpft werden müssen. Die Minimierung der Leckageinduktivität durch sorgfältiges Wicklungsdesign verbessert den Wirkungsgrad und verringert die Belastung der Schaltgeräte. Durch Verschachtelungswicklungen und durch geeignete Wicklungstechniken kann die Leckageinduktivität erheblich reduziert werden, obwohl dies gegen eine erhöhte Wicklungskapazität ausgeglichen werden muss.

Resonanzwandlermagnetik

Resonanzwandler, wie LLC, LCC und Serienresonanztopologien, beruhen auf der Resonanzwechselwirkung zwischen Induktivität und Kapazität, um ein weiches Schalten zu erreichen. Die Resonanzinduktivität kann ein diskretes Bauteil sein oder unter Verwendung der Streuinduktivität des Transformators realisiert werden. Eine genaue Steuerung der Induktivitätswerte ist entscheidend, um die gewünschte Resonanzfrequenz und Betriebscharakteristik zu erreichen.

Transformatoren für Resonanzwandler müssen statt der für hartgeschaltete Wandler typischen Rechteckwellen sinus- oder quasi-sinusförmige Wellenformen verarbeiten, was sich auf die Berechnung des Kernverlustes auswirkt, da die Wellenform die Verlustmechanismen beeinflusst. Die magnetisierende Induktivität des Transformators ist häufig am Resonanzbehälter beteiligt, was eine genaue Charakterisierung und Steuerung während der Herstellung erfordert.

Die Kernmaterialien für Resonanzwandler sollten geringe Verluste bei der Resonanzfrequenz aufweisen, die in einigen Topologien deutlich höher sein kann als die Schaltfrequenz. Ferritmaterialien werden typischerweise bevorzugt, wobei die spezifische Güte auf der Grundlage des Betriebsfrequenzbereichs ausgewählt wird. Die Temperaturstabilität der Induktivität ist wichtig, da sich die Resonanzfrequenzverschiebungen mit der Temperatur auf den Betrieb und den Wirkungsgrad des Wandlers auswirken können.

Hochfrequenzbetrieb

Da Stromrichter immer häufiger im MHz-Bereich arbeiten, was durch die Fähigkeit zur Miniaturisierung von Komponenten und die Verfügbarkeit von leistungsstarken, breitbandigen Leistungshalbleitern motiviert ist, ist es wichtig, den potenziellen Engpass durch verlustbehaftete hochfrequente magnetische Komponenten anzugehen.

Der Hochfrequenzbetrieb stellt jedoch erhebliche Herausforderungen für das Design von magnetischen Bauteilen dar. Kernverluste nehmen mit der Frequenz schnell zu, und Wechselstromverluste aufgrund von Haut- und Näherungseffekten werden dominant. Parasitäre Kapazitäten und elektromagnetische Störungen werden auch bei höheren Frequenzen problematischer. Spezielle Kernmaterialien, Wicklungstechniken und Designansätze sind erforderlich, um die potenziellen Vorteile des Hochfrequenzbetriebs zu realisieren.

Die planare Magnetisierung mit Leiterplattenwicklungen oder Kupferstanzfolien bietet Vorteile für Hochfrequenzanwendungen, wie eine ausgezeichnete Wiederholbarkeit, niedriges Profil und gute thermische Leistung. Diese Strukturen können mit kontrollierter Streuinduktivität und Wicklungskapazität, die für den Hochfrequenzbetrieb wichtig ist, konstruiert werden. Die Integration von magnetischen Bauelementen mit Leistungshalbleitern auf gemeinsamen Substraten stellt einen sich abzeichnenden Ansatz für eine weitere Miniaturisierung dar.

Integrierte Magnetik

Integrierte Magnete vereinen mehrere magnetische Funktionen zu einer einzigen Kernstruktur, was im Vergleich zu diskreten Komponenten möglicherweise zu einer Verringerung von Größe, Kosten und Verlusten führt. Beispiele hierfür sind gekoppelte Induktivitäten für Mehrphasenwandler, integrierte Transformatoren und Induktivitäten für Rückstromwandler und integrierte Gleichtakt-/Differentialtakt-EMI-Filter.

Gekoppelte Induktivitäten für Mehrphasen-Buck-Wandler können die Ausgangsspannungswelligkeit verringern und das transiente Verhalten im Vergleich zu diskreten Induktivitäten verbessern. Die Kopplung zwischen den Phasen führt zu einer Welligkeitsstromunterdrückung, was eine geringere Gesamtinduktivität und ein schnelleres transientes Verhalten ermöglicht. Die Auslegung muss jedoch den Flussausgleich berücksichtigen und sicherstellen, dass der Kern unter unausgeglichenen Lastbedingungen nicht sättigt.

Die Integration von magnetischen Bauteilen mit anderen passiven Bauteilen oder mit der Leistungsstufe selbst stellt einen fortschrittlichen Ansatz zur Miniaturisierung von Stromrichtern dar. Die Einbettung von magnetischen Materialien in Leiterplattensubstrate, die Verwendung von Magnetfilmen oder die Integration von Magneten in Halbleiterverpackungen sind aktive Forschungsbereiche mit dem Potenzial für signifikante Größen- und Leistungsverbesserungen.

Digitales Design und Optimierungstools

Aufkommende KI-native Workflows zielen darauf ab, das Design der Leistungselektronik durch Integration von Topologieauswahl und -optimierung zu vereinheitlichen. Machine Learning und künstliche Intelligenztechniken werden auf das Design magnetischer Komponenten angewendet, wodurch möglicherweise ein Großteil des Designprozesses automatisiert und optimale Lösungen identifiziert werden, die mit herkömmlichen Methoden möglicherweise nicht gefunden werden. Diese Ansätze können aus großen Datenbanken bestehender Designs und Leistungsdaten lernen, um verbesserte Designs vorzuschlagen.

Digitale Zwillinge magnetischer Komponenten, die detaillierte elektromagnetische und thermische Modelle mit Echtzeit-Überwachungsdaten kombinieren, ermöglichen eine vorausschauende Wartung und Optimierung der Betriebsbedingungen. Diese virtuellen Darstellungen können das Verhalten von Komponenten unter verschiedenen Bedingungen vorhersagen und mögliche Fehlerarten identifizieren, bevor sie auftreten. Die Integration von digitalen Zwillingen mit Umrichtersteuerungssystemen könnte einen adaptiven Betrieb ermöglichen, der die Leistung basierend auf den tatsächlichen Bauteileigenschaften optimiert.

Cloud-basierte Designplattformen und kollaborative Tools machen fortschrittliche magnetische Designfähigkeiten für Ingenieure ohne spezialisiertes Fachwissen zugänglicher. Diese Plattformen können über Webbrowser Zugriff auf ausgeklügelte Simulationstools, Komponentendatenbanken und Optimierungsalgorithmen bieten, wodurch die Eintrittsbarrieren für das Design magnetischer Komponenten reduziert und mehr Ingenieuren die Erstellung optimierter Designs ermöglicht werden.

Gemeinsame Design Fallstricke und Best Practices

Sättigungsprobleme vermeiden

Die Kernsättigung ist eine der häufigsten Fehlerarten bei magnetischen Bauteilen. Die Sättigung tritt auf, wenn die Flussdichte die Sättigungsflussdichte des Materials übersteigt, was zu einem dramatischen Abfall der Permeabilität und Induktivität führt, was zu übermäßigem Strom, erhöhten Verlusten und potentiellem thermischen Durchgehen führt. Die Konstrukteure müssen unter allen Betriebsbedingungen, einschließlich Transienten, Überlastungen und Worst-Case-Kombinationen von Eingangsspannung und Einschaltzyklus, einen ausreichenden Spielraum gegen die Sättigung gewährleisten.

Die Auswirkungen der Temperatur auf die Sättigung sind zu berücksichtigen, da die meisten magnetischen Materialien bei erhöhten Temperaturen eine geringere Sättigungsflussdichte aufweisen. Die Auslegung sollte die maximal zu erwartende Betriebstemperatur berücksichtigen, einschließlich der Selbsterwärmung durch Verluste. Die Luftspalte sollten so bemessen sein, dass eine Sättigung bei maximalem DC-Vorspannungsstrom plus etwaiger Wechselstromkomponenten mit angemessenem Sicherheitsabstand vermieden wird.

Die Prüfung der Sättigung während der Prototypenauswertung ist von wesentlicher Bedeutung. Induktivitäts- und Strommessungen können den Beginn der Sättigung aufzeigen, und Stromverläufe sollten auf eine Verzerrung überwacht werden, die auf Sättigung hinweist. Der Betrieb des Wandlers unter ungünstigsten Bedingungen, während die Temperatur der Bauteile und Stromverläufe überwacht werden, hilft, einen angemessenen Sättigungsabstand zu überprüfen.

Management der thermischen Leistung

Unzureichende thermische Auslegung ist eine häufige Ursache für magnetische Bauteilausfälle und Zuverlässigkeitsprobleme. Der Temperaturanstieg muss unter den ungünstigsten Bedingungen berechnet oder gemessen werden, und maximale Temperaturwerte von Kernmaterialien und Isolationssystemen dürfen nicht überschritten werden. Heiße Punkte im Kern oder in Wicklungen können zu lokalisierter Degradation führen, selbst wenn die Durchschnittstemperatur akzeptabel erscheint.

Thermische Grenzflächenmaterialien, Kühlkörper oder erzwungene Luftkühlung können für Hochleistungsanwendungen erforderlich sein. Der Wärmeweg vom Bauteil in die Umgebung sollte optimiert werden, unter Berücksichtigung der Leitung durch Montageflächen, der Konvektion zu umgebender Luft und der Strahlung.

Derating Komponenten für erhöhte Umgebungstemperaturen und geschlossenen Umgebungen ist wichtig für die Zuverlässigkeit. Militär- und Automobilanwendungen oft den Betrieb bei Umgebungstemperaturen bis zu 85 ° C oder höher, erfordern sorgfältige thermische Design akzeptable Komponententemperaturen zu halten. thermische Zyklus und langfristige Hochtemperaturbetrieb kann magnetische Materialien und Isolierung verschlechtern, was die Zuverlässigkeit beeinträchtigen.

Kontrolle von EMI und Parasiteneffekten

Magnetische Bauteile können sowohl Quellen als auch Opfer elektromagnetischer Störungen sein. Durch Federungsfluss aus Luftspalten können Ströme in nahe gelegenen Leitern induziert werden, was zusätzliche Verluste und EMI verursacht. Durch Abschirmung von Luftspalten mit Kupferfolie oder durch Verwendung von verteilten Spaltmaterialien können die Fließflusseffekte verringert werden. Durch Anordnung und Ausrichtung der Bauteile sollte die Kopplung zwischen magnetischen Bauteilen und empfindlichen Schaltungen minimiert werden.

Die Kapazität der Wicklungsverzahnung in Transformatoren kann hochfrequentes Rauschen von Primär- zu Sekundärkreisen koppeln, was die Isolationseffektivität für EMI beeinträchtigt. Elektrostatische Abschirmungen zwischen Wicklungen können die kapazitive Kopplung reduzieren, obwohl sie Komplexität und Kosten hinzufügen. Eine angemessene Erdung von Abschirmungen ist für die Effektivität unerlässlich.

Die Verwendung von parasitären Induktivitäten und Kapazitäten zur Steuerung parasitärer Effekte, die durch Simulation mit parasitären Elementen bei der Vorhersage des tatsächlichen Schaltungsverhaltens und bei der Identifizierung möglicher Probleme vor der Herstellung von Hardware unterstützt werden, ist durch die Verwendung von parasitären Elementen möglich.

Schlussfolgerung

Die Auswahl von Magneten umfasst typischerweise zwei mögliche Ansätze: Auswahl von Standardkomponenten oder Design einer kundenspezifischen Komponente. Die Wahl zwischen diesen Ansätzen hängt von Produktionsvolumen, Leistungsanforderungen, Kostenbeschränkungen und Time-to-Market-Überlegungen ab. Standardkomponenten bieten eine schnellere Entwicklung und geringere NRE-Kosten, bieten jedoch möglicherweise nicht für alle Anwendungen eine optimale Leistung. Benutzerdefinierte Designs ermöglichen die Optimierung für spezifische Anforderungen, erfordern jedoch mehr Engineering-Aufwand und Investitionen in die Werkzeugherstellung.

Die Optimierung des gesamten Stromrichtersystems einschließlich der Komponentenauswahl und des Steuerungsdesigns erfordert ein gutes Verständnis der magnetischen Komponenten. Magnetische Komponenten stellen ein entscheidendes Element im Stromrichterdesign dar, das oft die erreichbare Leistungsdichte, Effizienz und Kosten bestimmt. Ein systematischer Ansatz zur Auswahl und Gestaltung magnetischer Komponenten unter Berücksichtigung elektrischer, thermischer und mechanischer Anforderungen ist für eine erfolgreiche Stromrichterentwicklung unerlässlich.

Das Gebiet der magnetischen Bauteil-Design weiter mit neuen Materialien, Fertigungstechniken und Design-Methoden zu entwickeln. Bleiben mit diesen Entwicklungen und die Nutzung der verfügbaren Design-Tools und Ressourcen ermöglicht es Ingenieuren, effizientere, kompakte und zuverlässige Energie-Umwandlungssysteme zu schaffen. Ob die Auswahl von Standard-Komponenten oder die Gestaltung von benutzerdefinierten Magnetik, ein gründliches Verständnis der Prinzipien und Praktiken in diesem Artikel diskutiert bietet die Grundlage für eine erfolgreiche Umsetzung der magnetischen Komponenten in Stromrichter.

Für weitere Informationen über das Design von Leistungselektronik und magnetische Komponenten sollten Sie Ressourcen von Organisationen wie der IEEE Power Electronics Society, der Power Sources Manufacturers Association und führenden Komponentenherstellern erkunden, die umfangreiche Anwendungshinweise und Designhandbücher bereitstellen.