Zwischenkreiskondensatoren im Vergleich Alu-Elko oder Folienkondensator?

Moderne Leistungselektronik erfordern kompakte Zwischenkreiskondensatoren mit langer Lebensdauer. Aluminium-Elektrolytkondensatoren überzeugen mit hohen spezifischen Energiedichten, Folienkondensatoren punkten mit großer Stromtragfähigkeit. Wer eignet sich nun besser als Zwischenkreiskondensator?

von Dr. Arne Albertsen, Manager Sales & Marketing von Jianghai Europe.

Die Fortschritte der Halbleiterindustrie geben den Trend bei aktuellen und zukünftigen Geräten der Leistungselektronik vor: Insbesondere zeigt er sich in geringeren Abmessungen sowie in höheren Spannungen und Taktfrequenzen. Bezogen auf die Zwischenkreiskondensatoren führt dieser Trend jedoch zum Wunsch nach höheren Energiedichten. Hier bieten vor allem Aluminium-Elektrolytkondensatoren und Kunststoff-Folienkondensatoren vorteilhafte Lösungen.

Die Hauptaufgaben von Kondensatoren im Zwischenkreis (DC-Link) sind die Glättung der die Zwischenkreisspannung überlagernden Brummspannung und die Bereitstellung von elektrischer Energie.

Bild 1 zeigt Blockschaltbilder von Umrichtern, die über einen Gleich-spannungszwischenkreis verfügen. Anwendungsbeispiele für Umrichter sind Windkraftanlagen, Photo-voltaiksysteme, USVs (unterbrechungsfreie Stromversorgungen), elektrische Antriebe, Elektrofahrzeuge, Beleuchtung und Schweißgeräte. Je nach Anwendungsgebiet existieren unterschiedliche Anforderungen an Lebensdauer, Zuverlässigkeit, Temperatur- und Spannungsfestigkeit sowie die Stromtragfähigkeit und gegebenenfalls weitere Parameter des Zwischenkreiskondensators.

Da es keine universell einsetzbare Kondensatorlösung für alle Applikationen gibt, ist eine Auswahl der geeigneten Kondensatoren auf Basis der spezifischen Anforderungen der jeweiligen Anwendung erforderlich.

Bild 2 zeigt die Konstruktion und die wesentlichen Materialien eines Aluminium-Elektrolytkondensators (links) sowie eines Polypropylen-Folienkondensators (rechts). Während der aktive Teil des Elkos, der sogenannte Wickel, aus Aluminium (Anoden- und Kathodenfolie), Papier und Elektrolyt besteht, verwendet der Folienkondensator metallbedampfte Kunststofffolien.

Die Besonderheit des Elkos ist seine »flüssige Kathode«: Die hoch aufgeraute, mit Aluminiumoxid als Dielektrikum beschichtete Anodenfolie lässt sich durch die elektrisch leitende Elektrolytflüssigkeit vollflächig kontaktieren, was die hohe spezifische Kapazität dieser Technik ermöglicht. 

Der Folienkondensator hat einen Aufbau aus trockenen Materialien: Die Kondensatorplatten bestehen aus Metalldampf, der auf einer Kunststofffolie (dem Dielektrikum) abgeschieden wurde. Beim Dielektrikum handelt es sich in der Regel um Polypropylenfolie, die aus in longitudinaler und horizontaler Richtung angeordneten Polymerketten besteht (BOPP, biaxially oriented polypropylene).