Auswahl des korrekten Zwischenkreiskondensators für Ihr Leistungswandlerdesign

Gleichstrom-Zwischenkreiskondensatoren (DC-Zwischenkreiskondensatoren) sind eine kritische Komponente in vielen Anwendungen, z. B. in dreiphasigen Wechselrichtern für Elektrofahrzeug-Motorantriebe, Photovoltaik- und Windkraft-Wechselrichtern, industriellen Motorantrieben, Onboard-Ladegeräten für Kraftfahrzeuge und Stromversorgungen für medizinische oder industrielle Geräte. Es ist wichtig, sich über die neuesten Entwicklungen auf dem Laufenden zu halten. Wenn sie nicht richtig implementiert werden, können Zwischenkreiskondensatoren die „Schwachstelle“ sein, die die Energiedichte und Zuverlässigkeit verringert.

Im Gegensatz zur Halbleitertechnologie, die sich in rasantem Tempo weiterentwickelt, sind die Fortschritte in der Kondensatortechnologie leider langsam und können übersehen werden. Erschwerend kommt hinzu, dass sich die verschiedenen Kondensatortechnologien unterschiedlich schnell entwickeln: Aluminium-Elektrolytkondensatoren sind eine ausgereiftere und sich langsamer entwickelnde Technologie, während Folienkondensatoren und keramische Vielschichtkondensatoren (MLCCs) schneller voranschreiten. Aluminium-Elektrolytkondensatoren bieten im Vergleich zu Folienkondensatoren und MLCCs in der Regel eine größere Kapazität pro Volumeneinheit und eine höhere Energiedichte; die Kompromisse sind jedoch nicht fix.

So kann beispielsweise die Aufrüstung von Leistungsschaltern durch Komponenten für höhere Frequenzen - wie der Ersatz von IGBTs durch MOSFETs oder der Ersatz von Silizium-Bauelementen durch Leistungsschalter mit breiter Bandlücke (WBG) - ein guter Zeitpunkt sein, um die bisherige Wahl von Zwischenkreiskondensatoren zu überdenken. Jede Zwischenkreis-Kondensatortechnologie bietet eine Reihe einzigartiger Merkmale (Abbildung 1).

Abbildung 1: Vergleich von Zwischenkreiskondensatoren mit Spannung und Kapazität für die wichtigsten Technologien. CeraLink-Kondensatoren von TDK sind MLCCs, die für Zwischenkreisanwendungen optimiert sind. (Bildquelle: TDK Corporation)

Aluminium-Elektrolytkondensatoren sind die gängigsten Zwischenkreiskondensatoren. Sie bieten eine Kombination aus hoher Energiedichte und niedrigen Kosten. Sie werden häufig für industrielle Motorantriebe, unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV) und eine Vielzahl von Verbraucher-, Gewerbe- und Industrieanwendungen eingesetzt. Ihre relativ kurze Lebensdauer und der Betrieb bei niedrigen Frequenzen können jedoch dazu führen, dass sie für anspruchsvollere Anwendungen nicht in Frage kommen.

Folienkondensatoren werden häufig als Zwischenkreiselemente in anspruchsvolleren Anwendungen wie z. B. EV-Antrieben eingesetzt. Folienkondensatoren bieten eine höhere Zuverlässigkeit, eine hohe Stromleitfähigkeit, einen geringeren äquivalenten Serienwiderstand (ESR) und können im Vergleich zu elktrolytischen Kondensatoren bei höheren Frequenzen eingesetzt werden. Aber wie Elektrolytkondensatoren haben auch Folienkondensatoren relativ niedrige Betriebstemperaturen von etwa 105 Grad Celsius (°C).

MLCCs bieten eine dritte Möglichkeit. Diese Kondensatoren weisen einen höheren Effektivstrom auf und können höheren Temperaturen standhalten als andere Kondensatoren. Der Nachteil ist, dass für eine gegebene Energiedichte eine relativ große Anzahl von MLCCs erforderlich ist, was es schwierig macht, eine Kondensatoranordnung zu realisieren, die eine gleichmäßige Stromverteilung gewährleistet. Darüber hinaus kann es bei MLCCs Probleme mit der Zuverlässigkeit geben: Das keramische Dielektrikum ist starr und kann aufgrund mechanischer oder thermischer Spannungen brechen, wodurch ein Kurzschluss zwischen den Anschlüssen entsteht.

Es ist offensichtlich, dass es keine „perfekte“ Kondensatortechnologie für alle Zwischenkreisanwendungen gibt. Um die beste Designlösung für ein bestimmtes Projekt zu finden, müssen Sie sich mit den neuesten technologischen Fortschritten und Produktentwicklungen befassen. Betrachten wir also einige der Kompromisse und Merkmale repräsentativer Bauelementtypen, darunter Aluminium-Elektrolyt von Cornell Dubilier Electronics, Folie von KEMET und MLCCs der TDK Corporation.

Elektrolyt-Technologie für Designs mit hoher Restwelligkeit

Für Anwendungen mit hohen Brummströmen können Sie die Serie 381LR von Cornell Dubilier Electronics verwenden, die für 200 bis 450 Vdc und 56 bis 2200 Mikrofarad (µF) ausgelegt ist und mindestens 25 % mehr Brummstrom im Vergleich zu branchenüblichen Einrast-Elektrolytbauteilen bei 105 °C verträgt (Abbildung 2). Jüngste Fortschritte bei den Elektrolytformulierungen sind der Schlüssel zu dem niedrigen ESR-Wert, der diesen Kondensatoren ihre Brummstromverträglichkeit verleiht. Dies bedeutet, dass weniger Kondensatoren in Motorantrieben, unterbrechungsfreien Stromversorgungen (USV) und anderen Anwendungen mit hohem Brummstrom benötigt werden.

Abbildung 2: Die Aluminium-Elektrolytkondensatoren 381LR sind für 200 bis 450 Volt DC und 56 bis 2200 µF ausgelegt. (Bildquelle: Jeff Shepard, basierend auf Quellenmaterial von Cornell Dubilier Electronics)

Folienkondensatoren für Kfz-Antriebe

Bei der Entwicklung von Systemen für raue Umgebungen, wie z.B. Antriebsmotoren in der Automobilindustrie, sind die Folienkondensatoren C4AK von KEMET mit einer Lebensdauer von 4000 Stunden bei 125°C und 1000 Stunden bei 135°C eine gute Wahl (Abbildung 3). Diese für kompakte Systemdesigns konzipierten Bauelemente haben ein radiales Gehäuseformat für die Leiterplattenmontage mit niedrigem Profil und ermöglichen die Verwendung von weniger Kondensatoren parallel zur Bewältigung von Spitzen- und Brummströmen.

Abbildung 3: Die Folienkondensatoren C4AK von KEMET haben eine Lebensdauer von 4000 Stunden bei 125°C und 1000 Stunden bei 135°C. (Bildquelle: KEMET)

Die Zwischenkreiskondensatoren C4AK wurden für den Einsatz in Hochfrequenz- und Hochstrom-EV-Systemen, Photovoltaik- und Brennstoffzellen-Wechselrichtern, Energiespeichersystemen, drahtloser Energieübertragung und anderen industriellen Anwendungen konzipiert.

MLCCs für schnelle Halbleiter mit breiter Bandlücke (WBGs)

Bei der Verwendung von WBGs kann die Familie CeraLink FA (Flex Assembly) der TDK Corporation eine geeignete Lösung darstellen. Die Familie umfasst Kapazitätswerte von 0,25 µF bis zu 10 µF und Nennspannungen zwischen 500 und 900 Volt DC. Der B58035U9255M001 ist zum Beispiel für 2,5 µF und 900 Volt ausgelegt (Abbildung 4). Die verschiedenen Bauelemente der CeraLink-Familie sind für den Einsatz als Zwischenkreiskondensatoren optimiert und weisen unter anderem folgende Eigenschaften auf:

• Kapazitätsdichten von 2 bis 5 µF pro Kubikzentimeter (cm³)
• Niedrige Selbstinduktivität von 2,5 bis 4 Nanohenries (nH)
• Die Fähigkeit, sehr nahe an der Halbleiter-Leistungskomponente platziert zu werden, wobei ein Betrieb bis zu 150°C (für eine begrenzte Zeit) zulässig ist
• Keine Begrenzung der Spannungsflankensteilheit (dV/dt)

Abbildung 4: Der B58035U9255M001 gehört zur Familie CeraLink FA der TDK Corporation, einem 2,5 µF, 900-Volt-MLCC-Stapel. (Bildquelle: TDK Corporation)

Die Kondensatoren der FA-Familie sind 9,1 Millimeter (mm) breit und 7,4 mm hoch und in den Längen 6,3 mm, 9,3 mm und 30,3 mm erhältlich. Sie verfügen über eine Brummstromverträglichkeit von bis zu 47 Ampere (A) effektiv.

Fazit

Die Spezifikation eines Zwischenkreiskondensators ist ein wichtiger Bestandteil der Entwicklung von Stromrichtern. Wie gezeigt, gibt es eine breite Palette möglicher Optionen, die sich jederzeit ändern können. Eine falsche Auswahl kann dazu führen, dass ein Stromrichter die Erwartungen nicht erfüllt oder zu teuer ist. Um eine Fehlentscheidung zu vermeiden, müssen Sie sich über die neuesten Entwicklungen bei Zwischenkreiskondensatortechnologien und -produkten auf dem Laufenden halten.