Grundlagen und Auswahl von Folienkondensatoren für Leistungsanwendungen

Die Nutzung von Solarmodulen und Elektrofahrzeugen (EV) nimmt weiter zu. Ihre Stromversorgungssysteme basieren auf DC/DC-Wandlern und DC/AC-Wechselrichtern, die Kondensatoren benötigen, um die niederfrequente Welligkeit zu reduzieren, hochfrequente Komponenten zu filtern, die elektromagnetische Interferenzen (EMI) verursachen, und transiente Lastströme zu absorbieren, um zu verhindern, dass diese die Primärseite der Stromquelle beeinträchtigen. Kondensatoren für diese Leistungsanwendungen müssen zuverlässig, kompakt, leicht und langlebig sein und eine gute Hochfrequenzperformance aufweisen.

Folienkondensatoren sind zwar eine gute Option für diese Leistungsanwendungen, aber die Entwickler müssen ihren Aufbau und ihre Eigenschaften verstehen, um das richtige Bauteil auszuwählen.

Dieser Artikel gibt einen kurzen Überblick über Folienkondensatoren. Anschließend wird ihre Auswahl und ihr Einsatz in Leistungsanwendungen anhand von Beispielen der Eaton-Electronics Division erörtert.

Folienkondensatoren

Wie alle Kondensatoren bestehen auch Folienkondensatoren aus zwei leitenden Platten, die durch ein isolierendes Dielektrikum getrennt sind, das aus einer dünnen Kunststofffolie besteht, in der Regel aus Polypropylen, einem verlustarmen und hochfesten Dielektrikum (Abbildung 1). Die leitenden Platten sind dünne Metallfolien oder eine dünne Metallschicht, die auf das Dielektrikum aufgebracht wird. Die Folie und der Film werden um einen Kern gewickelt, die Anschlussdrähte werden angebracht, und der Kondensator wird in ein Kunststoffgehäuse eingeschlossen und mit einem Epoxidharz versiegelt, das den Kondensator vor Umwelteinflüssen schützt.

Abbildung 1: Ein Folienkondensator besteht aus einem gewickelten Kern, der abwechselnd Metall- und Dielektrikumsschichten enthält und in ein schützendes Kunststoffgehäuse eingeschlossen ist. (Bildquelle: Eaton-Electronics Division, geändert von Art Pini)

Folienkondensatoren haben zwar eine relativ niedrige Energiedichte, bieten aber eine hohe Kapazitätsdichte und verschiedene andere Eigenschaften. Erstens sind Folienkondensatoren unpolar; sie können in Wechsel- und Gleichstromkreisen verwendet werden. Ihr trockenes, festes Dielektrikum bietet eine höhere Zuverlässigkeit als Kondensatoren mit flüssigen oder halbflüssigen Elektrolyten, und sie haben einen stabilen Kapazitätswert mit ausgezeichneter Temperaturstabilität. Eine geringere äquivalente Serieninduktivität (ESL) und ein geringerer äquivalenter Serienwiderstand (ESR) unterstützen die effektive Bewältigung hoher Brummströme und machen Folienkondensatoren für Hochfrequenzanwendungen gut geeignet. Die vielleicht wichtigste Eigenschaft von Folienkondensatoren ist, dass sie selbstheilend sind. Bei einem Durchbruch des Dielektrikums entsteht ein lokaler Hotspot, der das angrenzende Metall verdampft und ein nichtleitendes Loch bildet, so dass der Kondensator normal funktionieren kann, was seine Lebensdauer verlängert.

Typen von Folienkondensatoren

Folienkondensatoren sind auf bestimmte Anwendungen zugeschnitten, und die gängigen Typen sind Sicherheits-, Zwischenkreis-, Wechselstromfilter- und Impulskondensatoren. Sicherheitsfolienkondensatoren sind zur Dämpfung leitungsgebundener Emissionen in AC-Netzfilteranwendungen konzipiert. Viele internationale Sicherheitsnormen enthalten Anforderungen für leitungsgebundene EMI. Betrachten wir ein netzgespeistes Gleichstrom-Ladegerät für ein Elektrofahrzeug. In schnell ladenden Gleichstromstationen dienen Gleichtakt- und Differenzmodus-EMI-Filterung über Kondensatoren als niedrige Impedanz für Shunt-Rauschsignale bei minimaler Verlustleistung.

Zur EMI-Entstörung werden Netzfilter verwendet, die aus Folienkondensatoren zwischen der Netzleitung und dem Schaltnetzteil bestehen (Abbildung 2).

Abbildung 2: Die Sicherheitsfolienkondensatoren C_X und C_Y sind in Netzfiltern eingebaut, um zu verhindern, dass sich EMI auf die Stromleitung ausbreitet. (Bildquelle: Eaton-Electronics Division)

Die mit C_X gekennzeichneten Kondensatoren sind von Leitung zu Leitung angeordnet und reduzieren EMI im Differenzmodus. Die C_Y-Kondensatoren sind von jeder Leitung auf Masse verdrahtet, um Gleichtakt-EMI zu reduzieren.

DC-Zwischenkreiskondensatoren dienen als Glättungsfilter in Gleichstromkreisen, die zwischen Wechselstromstufen liegen. Ein Beispiel dafür ist ein Induktivität-Kondensator-Filter (L-C) auf dem DC-Bus zwischen den Gleichrichter- und Wechselrichterstufen eines Motorantriebskreises (Abbildung 3).

Abbildung 3: Die Abbildung zeigt einen DC-Zwischenkreiskondensator, der in einem L-C-Filter zwischen den Gleichrichter- und Wechselrichterstufen eines Motorantriebskreises verwendet wird. (Bildquelle: Eaton-Electronics Division)

Neben Motorantrieben werden diese Kondensatoren auch häufig in Wechselrichtern und anderen Hochleistungs-Ladeschaltungen eingesetzt, bei denen der Wechselstromeingang und der Wechselstromausgang unterschiedliche Spannungsniveaus aufweisen. Nehmen wir zum Beispiel einen dezentralen Wechselrichter in einem Solarsystem, bei dem ein Zwischenkreiskondensator verwendet wird, um Rauschen und Transienten zwischen den Stufen zu reduzieren (Abbildung 4).

Abbildung 4: Ein DC-Zwischenkreis-Folienkondensator unterdrückt Rauschen und Transienten zwischen dem Aufwärtswandler einer Solaranlage und dem Wechselrichter. (Bildquelle: Eaton-Electronics Division)

Der Folienkondensator reduziert Störsignale an einem Punkt, an dem die V_link-Leitung Informationen an den Steuerkreis zurückgibt, und verbessert so die Performance.

AC-Filterkondensatoren helfen, unerwünschte Oberwellen in Anwendungen wie dreiphasigen AC-Stromquellen zu eliminieren (Abbildung 5).

Abbildung 5: Abgebildet sind AC-Filterkondensatoren, die zum Filtern einer dreiphasigen Stromquelle verwendet werden. (Bildquelle: Eaton-Electronics Division)

Film-Impulskondensatoren sind zum Schutz empfindlicher Bauteile vor hohen dV/dt-Spannungsänderungen konzipiert. Sie werden in der Impulselektronik und bei Wechselrichtern eingesetzt. Sie sind für eine hohe Energiedichte ausgelegt und liefern in Schaltungen wie Resonanztank-Leistungswandlern schnelle Leistungsstöße (Abbildung 6).

Abbildung 6: Der Impulsfolienkondensator bildet einen auf die Schaltfrequenz des Stromrichters abgestimmten Schwingkreis, der Oberschwingungen in der Sekundärwicklung des Transformators eliminiert. (Bildquelle: Eaton-Electronics Division)

Resonanztankschaltungen verbessern den Wirkungsgrad von Induktivität-Induktivität-Kondensator (LLC)-Leistungswandlern erheblich. Der Impulskondensator wird zur Abstimmung des Tankkreises auf die Schaltfrequenz eines Stromrichters verwendet. Der Resonanztank eliminiert Oberschwingungen auf der Sekundärseite des Transformators. Darüber hinaus ermöglicht der Resonanztank ein sanftes Schalten in den Stromrichterschaltern, was die Verluste reduziert und die Effizienz erhöht.

Aufbau von Folienkondensatoren

Die Eigenschaften der einzelnen Arten von Folienkondensatoren werden durch die verwendeten Materialien und die Geometrie der Folienschichten bestimmt. Der AC-Filterkondensator EFACA25J155D032LH der Eaton-Electronics Division ist beispielsweise ein 1,5μF-Kondensator ±5% für eine maximale Nennspannung von 250 V. Er ist AEC-Q200-qualifiziert für Anwendungen in der Automobilindustrie und hat eine THB-Typ-IIIB-Einstufung für das Eindringen von Feuchtigkeit.

Folienkondensatoren werden durch abwechselnde Schichten des metallisierten Dielektrikums gebildet. Bei den Kondensatoren mit der niedrigsten Nennspannung (180 V_AC bis 300 V_AC) sind die abwechselnden Lagen jeweils an einzelne Leitungen angeschlossen. Mehrere parallel geschaltete Lagen erhöhen die Gesamtkapazität, während die Reihenschaltung von zwei oder mehr Lagen die Nennspannung erhöht (Abbildung 7).

Abbildung 7: Die Reihenschaltung mehrerer Kondensatoren erhöht die Nennspannung eines Folienkondensators. (Bildquelle: Eaton-Electronics Division, geändert von Art Pini)

Die Leitungen sind an jeder Seite einer geteilten Metallisierung für eine höhere Spannung angeschlossen (350 V_AC bis 500 V_AC). Die zweite Schicht besteht aus einer einzelnen metallisierten Folie, die von den Anschlüssen isoliert ist und als gemeinsame Kondensatorplatte dient, so dass zwei Kondensatoren in Reihe geschaltet sind. Diese Struktur erhöht die Durchbruchsspannung des Paares und senkt gleichzeitig die Kapazität. Durch die Parallelschaltung mehrerer Paare können die Entwickler die Kapazität erhöhen.

Nach dem gleichen Prinzip der isolierten geteilten Segmente bilden die Kondensatoren mit 600 V_AC bis 760 V_AC drei Reihenkondensatoren für jeden Satz von überlagerten Paaren.

Anwendungen und Aufbau von Impulskondensatoren

Impulskondensatoren sind für Anwendungen mit hohen dV/dt und Strömen konzipiert. Sie weisen einen niedrigen ESR und ESL auf, was ihre Fähigkeit verbessert, Energie aus transienten Spannungsspitzen zu absorbieren. Ihre selbstheilenden Eigenschaften gewährleisten einen zuverlässigen Langzeitbetrieb.

Impulsfilmkondensatoren eignen sich gut für Entstörglieder in Schaltnetzteilen, wo sie aktive Schaltkomponenten vor Spannungsspitzen und Klingeln schützen, die beim Schalten auftreten. In Abbildung 8 bildet beispielsweise ein Impulsfolienkondensator (C1) zusammen mit einem Widerstand (R1) und einer Diode (D1) ein Entstörglied, das Spannungsspitzen absorbiert, die durch die parasitäre Induktivität des Transformators während des Abschaltens des MOSFET-Schalters entstehen.

Abbildung 8: Impulsfilmkondensatoren wie C1 eignen sich gut für Entstörglieder in Schaltnetzteilen, wo sie Spannungsspitzen absorbieren, die durch die parasitäre Induktivität des Transformators beim Abschalten des MOSFET-Schalters entstehen. (Bildquelle: Art Pini)

Wenn der MOSFET in einem Flyback-Schaltnetzteil öffnet, ist der Drain-Strom maximal. Die Induktivität des Transformators dient dazu, diesen Strom aufrechtzuerhalten und erhöht die Spannung schnell. Der zunächst entladene Kondensator in der Entstörglied-Schaltung absorbiert die Energie der induktiven Spitze und schützt den MOSFET-Schalter. Die Reaktionszeit der kapazitiven Wirkung wird durch einen niedrigen ESL-Wert verkürzt, so dass das Entstörglied die hohen dV/dt-Werte der Transienten bewältigen kann. Der niedrige ESR ermöglicht die hohen Ströme, die für die Absorption der transienten Energie beim Ausschalten des Schalters erforderlich sind.

Der Aufbau des Impulsfolienkondensators ist für hohe dV/dt und daraus resultierende Ströme optimiert (Abbildung 9).

Abbildung 9: Die innere Struktur eines Impulsfolienkondensators verwendet eine doppelseitige metallisierte dielektrische Folie, um den ESR zu reduzieren. (Bildquelle: Eaton-Electronics Division)

Die Impulsfilmkondensatoren der Eaton-Electronics Division verwenden eine doppelseitige metallisierte dielektrische Folie, die die Kontaktfläche zwischen Kondensatorplatte und Anschlussleitung effektiv verdoppelt und dadurch den ESR-Wert des Kondensators senkt und seine Strombelastbarkeit erhöht. Der EFPLS1GJ223B072LH zum Beispiel ist ein 0,022 mF ±5% Impulsfilmkondensator, der für eine maximale Spannung von 1600 V ausgelegt ist. Er hat einen ESR von 30 Milliohm (mΩ) und einen ESL von 12 Nanohenries (nH). Er hat eine maximale dV/dt-Spezifikation von 6000 V pro Mikrosekunde (V/µs) und einen Nenn-Effektivstrom von 3,2 A bei einem Spitzenstrom von 132 A.

Die zugehörige EFPLA-Serie umfasst Impulsfolienkondensatoren für raue Umgebungen, z. B. im Automobilbereich, und entspricht den THB-Spezifikationen der Klasse IIIB und AEC-Q200. Der EFPLA2AJ153B092LH von Eaton zum Beispiel ist ein 0,015 mF ±5% Impulsfolienkondensator, der für 2000 V ausgelegt ist. Er hat einen ESR von 45 mΩ und einen ESL von 12 nH. Er hat eine maximale dV/dt-Spezifikation von 4500 V/µs und einen Nenn-Effektivstrom von 3 A, bei einem Spitzenstrom von 142,5 A.

Fazit

Folienkondensatoren verwenden eine trockene, nichtpolarisierte Technologie und weisen eine hohe Kapazitätsdichte auf. Sie bieten eine temperaturstabile Kapazität, bewältigen hohe Brummströme sowie Impuls- und Stoßspannungen und eignen sich für Hochfrequenz- und Leistungsanwendungen. Ihre metallisierte Konstruktion bietet außerdem eine Selbstheilungsfunktion, die die Zuverlässigkeit und Lebensdauer erhöht und einen schonenderen Ausfallmechanismus ermöglicht. Die Eaton-Electronics Division bietet eine breite und wachsende Palette von metallisierten Polypropylen-Folienkondensatoren an, die funktionell für verschiedene Anwendungen und Betriebsumgebungen optimiert sind.