Zwischenkreiskondensatoren für Wechselrichter Sind Elkos immer besser?

Bei Wechselrichtern stehen meist Komponenten wie Leistungshalbleiter und Mikrocontroller für die Steuerung im Fokus. Um ein effizientes und langlebiges System zu realisieren, müssen jedoch auch die passiven Komponenten sehr sorgfältig ausgewählt werden. So spielen die Kondensatoren in den Leistungskreisen – beispielsweise im Zwischenkreis – eine wichtige Rolle, denn sie müssen sehr hohe Brummströme bewältigen können. Damit beeinflussen sie sowohl Lebensdauer als auch Wirkungsgrad des Wechselrichters maßgeblich.

Zwischenkreise in Wechselrichtern stellen vielfältige Anforderungen an die Kondensatoren: Sie sollten einen geringen effektiven Serienwiderstand (ESR) und kleine effektive Serieninduktivitäten (ESL) aufweisen sowie gegenüber hohen und hochfrequenten Strömen beständig sein. Außerdem sind ein hoher Isolationswiderstand, hohe Kapazitätswerte sowie thermische und elektrische Stabilität gefordert. Andernfalls sinkt der Wirkungsgrad. Damit wird noch mehr Kapazität notwendig, um die erforderlichen Ströme bewältigen und die gewünschte Lebensdauer realisieren zu können.

Meist kommen in solchen Anwendungen Elektrolytkondensatoren (Elkos) zum Einsatz, denn sie scheinen auf den ersten Blick am kostengünstigsten. Elkos zeichnen sich unter anderem dadurch aus, dass ihre Kapazität mit steigender Frequenz abnimmt und ihre Stromtragfähigkeit steigt. Ein entscheidendes Auswahlkriterium ist die erforderliche Stromstärke (Ripple- oder Brummstrom), das zweite die Lebensdauer.

Da Elkos im Alterungsprozess lange Zeit nicht komplett ausfallen, sondern sich ihr Verhalten verändert (vor allem durch steigende Werte für ESR, Verlustfaktor und Impedanz sowie abnehmende Kapazität), ist das Ende ihrer Lebenszeit meist bei -20% der Nennkapazität kalkuliert, wobei die Kapazitätsreserve bei diesen Bauteilen oft bis +30% angesetzt wird. Daher werden häufig höhere Kapazitätswerte erforderlich, als dies für die Glättung nötig wäre.

Weil die Nennspannung von Elektrolytkondensatoren maximal 500 V beträgt, müssen zudem zwei oder mehr in Serie geschaltet werden, um höhere Spannungen zu ermöglichen. Die eben besprochenen Punkte zeigen: Für den Einsatz im Zwischenkreis sind Elkos nicht immer optimal. Vor allem mit zunehmendem Anspruch an Temperatur, Brummstrom und Spannung erreichen sie nicht mehr effizient die erforderliche Lebensdauer. Hier können Folienkondensatoren ihre Vorteile ausspielen: Sie zeigen in Messungen und Tests eine Lebensdauer von rund 100.000 Stunden, wohingegen die rein rechnerisch bestimmte Lebensdauer von Elkos zwischen 2.000 und 100.000 Stunden liegt. Wie hoch diese tatsächlich ist, hängt in erster Linie von der Umgebungstemperatur ab.

Hinzu kommt, dass Folienkondensatoren temperaturbeständiger sind und sich durch eine höhere Stromtragfähigkeit auszeichnen. Ihre Nennspannung liegt zwischen 300 V und 6000 V, die Spitzenspannung beim 1,2- bis 1,6-fachen der Nennspannung – und damit deutlich über der von Elkos mit maximal 500 V Nenn- und einer Spitzenspannung von 1,15- bis 1,3-mal Nennspannung. Auch das Frequenzverhalten der Folienkondensatoren ist deutlich besser als das der Elkos. Sie haben selbstheilende Eigenschaften, wodurch sie unempfindlicher gegenüber Überspannungsspitzen sind. Daher fällt ein Folienkondensator nicht plötzlich aus, sondern nur seine Kapazität nimmt langsam ab.

Parameter
Lösung mit Elkos
Lösung mit Filmkondensatoren
Kapazität
1500 µF
250 µF
Spannung400 V1100 V
Durchmesser63 mm85 mm
Länge105 mm140 mm
Volumen0,32 l0,79 l
maximaler Brummstrom je Kondensator12,2 A30 A
Brummstrom pro Zweig10 A15 A
Zahl der Kondensatoren92
Gesamtvolumen2,94 l1,59 l
Gesamtkapazität1500 µF500 µF
Brummspannung
33 V
33 V
Tabelle 1: Tabellarische Gegenüberstellung der Zwischenkreislösungen aus Bild 1