Zwischenkreiskondensatoren Schneller schalten in Umrichtern

Über die Jahre hinweg hat sich bei Umrichtern auf der Halbleiterseite viel verbessert. Schnell schaltende Systeme erfordern jedoch eine Schaltungsauslegung mit niedrigsten ESR- und ESL-Werten. Mit konventionellen Kondensatortechnologien ist dies nur bedingt möglich.

Leistungshalbleiterschalter in Stromversorgungen und Umrichtern werden von zwei Technologien bestimmt: MOSFETs und IGBTs. Erstere können mit relativ hohen Schaltfrequenzen deutlich oberhalb von 30 kHz arbeiten, weisen aber gegenüber IGBTs eine sehr große Chipfläche und eine deutlich höhere Fertigungskomplexität auf. Mit »IGBT3« hat Infineon vor kurzem eine neue Generation von IGBT-Modulen vorgestellt, die mit Taktfrequenzen von bis zu 100 kHz arbeitet. Damit lassen sich schnell schaltende Umrichter realisieren, die jedoch eine Schaltungsauslegung mit niedrigsten ESR- und ESL-Werten erfordern.

Dementsprechend müssen auch die passiven Bauelemente - neben den Induktivitäten insbesondere die Kondensatoren - mit den hohen Taktraten Schritt halten können. Höhere Schaltfrequenzen gestatten es, kleinere und leichtere passive Bauelemente zu verwenden, was geringere Verluste verursacht und die Effizienz steigert. Im Fokus stehen dabei die Kondensatoren.

Sie müssen eine hohe Schaltfrequenz mit niedrigen ESL- und ESR-Werten sowie einem ex-trem kompakten Aufbau in einem Design kombinieren. Mit konventionellen Kondensatortechnologien ist dies nur bedingt möglich. Die Bausteinfamilie »CeraLink« von Epcos stellt dafür einen völlig neuen Lösungsansatz bereit: Dabei handelt es sich um einen keramischen Vielschicht-Ripplestrombegrenzer, der auch als Zwischenkreiskondensator oder DC-Link bezeichnet wird; zudem erfüllt er Snubber-Aufgaben.

Neues Keramikmaterial

Entwickelt wurde CeraLink im Kompetenzzentrum für keramische Bauelemente von Epcos im österreichischen Deutschlandsberg. Das dort verfügbare Know-how aus jahrelanger Erfahrung, unter anderem bei der Großserienfertigung von Piezo-Aktuatoren, bildete die Basis für dieses Bauelement. CeraLink bietet die Vorteile eines keramischen Kondensators ohne dessen ungünstige Eigenschaften. Durch das neue System aus antiferroelektrischem, keramischem Vielschichtmaterial (Antiferroelectric Multilayer Ceramic) mit speziellen Kupfer-Innenelektroden sollen sich sowohl die Standard-IGBTs als auch die neuen, schnell schaltenden Typen mit wesentlich höheren Frequenzen noch ökonomischer nutzen lassen.

Dies gilt auch für Schaltungen mit entsprechenden Superjunction-MOSFETs. Der neuartige CeraLink-Kondensator kombiniert eine hohe Kapazität pro Volumen mit sehr niedrigem ESL und ESR. Dadurch sollen sich Effizienz, Zuverlässigkeit und Platzbedarf in zukünftigen IGBT- und MOSFET-Umrichterdesigns deutlich verbessern lassen. Von Vorteil sind darüber hi naus auch die LP- und SMD-Varianten des CeraLink als Snubber-Lösung für die Integration in Halbleiter-Leistungsmodule. Derzeit gibt es die Kondensatoren in unterschiedlichen Ausführungen (Tabelle 1).

Anschlussform
Low Profile (LP)
SMD
Lötstift (SP)
Pressfit-Busbar (PFBB)
maximale Kapazität in µF
1
5
5 bzw. 20
100
Nenngleichspannung in V400400800 / 400400
Abmessungen in mm (ohne Anschlüsse)
6,84 x 7,85 x 2,65
12,8 x 8,4 x 8,8
33 x 22 x 11,5
52,5 x 30,5 x 10,5
Tabelle 1: »CeraLink« in verschiedenen Ausführungen

Das Kapazitätsspektrum reicht von 1 µF bis zu 100 µF bei Nenngleichspannungen von 400 V bis 800 V mit unterschiedlichen Anschlussformen. In Zusammenarbeit mit Infineon hat Epcos in den ersten Designs CeraLink-Baulemente auf spezielle IGBT-Module angepasst und weiter optimiert. Sowohl für die »EASY-Automotive«-Serie von Infineon als auch für die entsprechenden Typen in Industrieanwendungen hat der Hersteller alle beeinflussbaren Parameter und Eigenschaften des Kondensators auf mehr Ökonomie und Effizienz hin optimiert. Die Tabellen 2 und 3 zeigen diese wesentlichen, optimierten Parameter auf.

Optimierte Parameter
Vorteil
Isolationswiderstand
mit typischen Werten von 1 GΩ bis 10 GΩ sehr hoch; daraus resultiert ein sehr geringer Leckstrom vor allem auch bei hohen Temperaturen
ESLunter 4 nH (extrem niedrig)
ESRtypisch unter 4 mΩ; daraus resultierend geringe Verluste
Betriebstemperatur
-40 °C bis +125 °C (kurzzeitig bis +150 °C), damit auch für SiC geeignet
Tabelle 2: Optimierte Parameter und Vorteile der »CeraLink«-Baureihe von Epcos
Aufbau und Ausstattung
Vorteil
innere Kupferkontaktierung
geringe Verluste und hohe Strombelastbarkeit
innere Busbaroptimiert für variablen Einsatz
verschiedene Anschlussausführungengeeignet für Löt- als auch Pressfit-Montagetechnik
kompaktes GehäusedesignGehäusehöhe auf gängigen Halbleitermodule optimiert
robustes Designausgelegt für Snubber- und Leistungsanwendungen in industriellen und automobilen Applikationen
hohe Kompatibilität
Typen für die Integration in Leistungsmodule auf Basis von IGBTs, MOSFETs und SiC
Tabelle 3: Aufbau und Ausstattung des CeraLink sowie dessen Vorteile

Weitere Vorteile sind:

  • besonders geeignet für steile Schaltflanken und hohe Taktraten,
  • positive DC-Bias-Beeinflussung der Kapazität,
  • aktive Kühlung nicht zwingend erforderlich und
  • einfache Rückverfolgbarkeit durch QR-Codes.

Die ersten Designs des On-Board-Wandlers »Easykit DCDC« hat Infineon nach Vorgaben von Automobil-OEMs für Nennspannungen von etwa 400 V auf der Hochspannungsseite ausgelegt. Für die direkte Integration in Halbleiter-Leistungsmodule sind aufgrund des beengten Bauraums die SMD-Versionen (LP und SMD) (Tabelle 1, links) vorgesehen. Sie lassen sich in Löt-, Bond- oder Sinterprozessen verarbeiten.

In Zusammenarbeit mit Epcos hat der Chiphersteller ein HV/LV-DC/DC-Demoboard mit einer Leistung von 2,7 kW entwickelt (Bild 1). Zu den Anforderungen zählen unter anderem ein Eingangsspannungsbereich von 200 V bis 400 V - je nach verwendetem Hochspannungs-Akku - sowie ein Ausgangsspannungsbereich von typisch 8 V bis 16 V Standardspannung im Bordnetz. Ferner muss ein Strombereich von bis zu 200 A abgedeckt werden.

Für DC/DC-Wandler gibt es eine ganze Menge unterschiedlicher Schaltungstopologien. Einsatz findet jedoch meist eine MOSFET-Vollbrücke mit Schalten bei Nullspannung (ZVT). Infineon hat diese Schaltungen mit fast einhundert Bauelementen von Epcos und dessen Mutterkonzern TDK neu aufgebaut und an seine schnell getakteten IGBTs der »Easy«-Serie angepasst (Bild 1).

Aufbau- und Verbindungstechnik

Parasitäre Induktivitäten werden allerdings nicht nur vom Kondensator erzeugt. Im normalen System-aufbau kommt es zu merklichen Streuinduktivitätswerten durch mehrere Faktoren: Neben der Kontaktierung im Inneren des IGBT-Moduls trägt dazu auch die Zuleitung zum Kondensator bei. Mit dem CeraLink lassen sich gleicher-maßen die Werte für den Kondensator selbst und, bedingt durch den kompakten Aufbau, die Werte für die Zuleitung drastisch reduzieren. Durch die kompakte Anbindung an das IGBT-Modul werden gleichzeitig auch dessen Überspannungen bedämpft, und der Snubber-Kondensator kann in der Regel entfallen. 

Bild 2 zeigt den Spannungsverlauf beim Abschalten des IGBTs mit und ohne CeraLink. Der Spannungsanstieg ist somit nur noch minimal und befindet sich im sicheren Bereich der IGBTs (SOA).

Als Schaltfrequenz kommen hier 100 kHz zum Einsatz, die für den Kondensator eine Stromripplefrequenz von 200 kHz bedeutet.

Bild 3 zeigt den Verlauf von Impedanz und ESR als Funktion der Frequenz. Reicht die Kapazität des CeraLink für reine DC/DC-Anwendungen im Allgemeinen aus, so kann diese beispielsweise beim Betrieb von Motoren zu gering sein.

Abhilfe schafft hier das Parallelschalten von Aluminium-Elektrolyt- beziehungsweise Folienkondensatoren, die mit ihrer hohen Kapazität den niederfrequenten Anteil des Stroms führen. Der CeraLink übernimmt unterdessen den hochfrequenten Anteil einschließlich des Snubber-Anteils.