Kondensatoren Korrosion verhindern

Moderne Folienkondensatoren zur EMI-Unterdrückung, die 15 Jahre oder länger in rauen Umgebungen betrieben werden können, ermöglichen stromsparende Schaltkreise in kostensensiblen Geräten wie Smart-Meter.

Da sich die Energiepolitik weltweit immer mehr den erneuerbaren Energien wie Solarstrom zuwendet und Smart-Grid-Infrastrukturen für Netzstabilität sorgen, steigt auch der Bedarf an »intelligenten« Stromzählern (Smart Meter). Um eine lange Lebensdauer zu garantieren, müssen deren Bauelemente wie Folienkondensatoren den rauen Umgebungsbedingungen standhalten.

Allein in der EU sollen bis zum Jahr 2020 an die 200 Mio. Smart Meter installiert werden, um die gesetzten Ziele zu erfüllen. Die Kosten sind ein wesentlicher Faktor für die Marktakzeptanz und verleiten die Entwickler dazu, stromsparende Schaltkreise zu implementieren – vor allem für die Stromversorgung. Dabei werden kostengünstige kapazitive Stromversorgungen gegenüber Schaltreglern bevorzugt. Eine kapazitive Stromversorgung nutzt die Impedanz des seriell zur Wechselstromleitung eingebrachten Kondensators, um den maximalen Lasttrom festzulegen (Bild 1).

In einer kapazitiven Stromversorgung muss die Kapazität von C1 während der Produktlebensdauer stabil bleiben, da dieser Wert die Impedanz des Schaltkreises bestimmt und damit auch die Spannung für den restlichen Schaltkreis.

Metallisierte Folienkondensatoren sind die bevorzugte Lösung für den seriellen Anschluss in einer kapazitiven Stromversorgung (C1 in Bild 1) oder für den parallelen Anschluss bei der EMI-Filterung (C1 und C2 in Bild 2). Vor allem die Selbstheilungsfunktion von X2-sicherheitszertifizierten Folienkondensatoren ermöglicht einen sicheren und zuverlässigen Betrieb, wenn Spannungsspitzen auf der Netzseite auftreten. Durch den Selbstheilungsmechanismus kann ein X2-Folienkondensator Spannungsspitzen bis zu 2,5 kV ohne Ausfall überstehen. Eine erfolgreiche Selbstheilung wird vor durch zwei Faktoren bestimmt: das dielektrische Material und die Metallisierung.

Warum Kondensatoren korridieren

Das Dielektrikum muss dabei extremen Bedingungen widerstehen, ohne leitfähige Produkte zu bilden, um den solche Bauteile typischen hohen Isolationswiderstand beizubehalten. Polypropylen ist aufgrund seiner Molekularstruktur das beste Dielektrikum. Die Metallisierungsschicht in Unterdrückungskondensatoren muss sehr dünn sein (30 nm bis 50 nm). Bei Breakdown-/Selbstheilungs-Ereignissen kann diese dünne Metallisierung verdampfen, den betroffenen Bereich isolieren und den Isolationswiderstand zwischen den Elektroden wieder herstellen. In Standard-X2-Folienkondensatoren können Feuchtigkeit, hohe Temperatur und die angelegte Wechselspannung die dünnen Metallelektroden korrodieren. Dieses Phänomen beeinträchtigt die elektrischen Eigenschaften des Kondensators, was sich durch eine verringerte Kapazität (kleinere aktive Fläche) und einen höheren Verlustfaktor (geringere Leitfähigkeit der Elektroden) bemerkbar macht.

In einer kapazitiven Stromversorgung können Kapazitätsverluste dazu führen, dass der Schaltkreis nicht genügend Strom an der Last bereitstellt. In einem X- oder Y-Kondensatorschaltkreis beeinträchtigt ein Kapazitätsverlust die EMI-Dämpfung, was andere Komponenten der Gefahr von Störungen aussetzt. In einem X- oder Y-Schaltkreis kann ein höherer Verlustfaktor des Kondensators zu Überhitzung führen, die den Kondensator weiter beschädigen und einen Systemausfall beschleunigen kann.

Dabei spielt beim Betrieb über einen längeren Zeitraum und unter kritischen Bedingungen der Aufbau eines X2-Kondensators eine wichtige Rolle. Da die Nachfrage nach X-, Y- und seriellen Kondensatoren steigt, die extremen Umgebungsbedingungen über längere Zeit (mehr als ein Jahrzehnt) widerstehen, steigt der Bedarf an robusteren Kondensatortypen, die sich für Geräte wie Smart-Meter und Solarwechselrichter eignen.

Zusammen mit Forschungseinrichtungen hat Kemet die Familie »F862« entwickelt, die auf einer hochqualitativen Polypropylenfolie als Dielektrikum und auf einem speziellen Fertigungsprozess basiert. Die bewährte X2-Kondensatorplattform diente als Grundlage. Diese Plattform bieten eine wesentlich längere Lebensdauer im Vergleich zu Standard-Polypropylen- oder Polyester-Folienkondensatoren, wenn z.B. hohe Feuchtigkeit vorherrscht. Während Standardkondensatoren eine Lebensdauer von zwei bis drei Jahren bieten, erzielt die neue Serie eine Lebensdauer von 15 Jahren.

THB-Tests (Temperature-Humidity-Bias) setzen die Kondensatoren den drei Hauptgründen für Kapazitätsverlust und eine höheren Verlustfaktor aus und messen die Auswirkungen auf die Kapazität, den Verlustfaktor und den Isolationswiderstand über der Zeit. Die THB-Testbedingungen sind +85 °C, 85% relative Luftfeuchtigkeit und 240 V Betriebsspannung. Bei der neuen Kondensatorserie zeigten sich gegenüber dem Standard-X2 hinsichtlich der Stabilität der Kapazität und beim Verlustfaktor deutlich verbessert (Bilder 3 und 4).

Polypropylen garantiert nicht nur eine optimale Selbstheilung, sondern aufgrund des niedrigen und stabilen Verlustfaktors auch eine wesentlich höhere Toleranz gegenüber Netzfrequenz-Brummspannung und Hochfrequenz-Brummströme, die auftreten, wenn der Kondensator parallel zum Netz am Eingang eines Schaltreglers angeschlossen wird.

Zuverlässig und kostengünstig

Die höhere Leistungsfähigkeit in rauen Umgebungen und die verbesserte Selbstheilung erfüllen auch die Anforderungen für Auto-motive-Umgebungen, zum Beispiel für das Laden der Batterie in Plug-in-Hybrid- und Elektrofahrzeugen (PHEVs/EVs). Die Serie F862 wurde nach AEC-Q200 qualifiziert und entspricht den Sicherheitsstandards ENEC, UL, cUL und CQC.

Genauso bedeutend ist eine hohe Zuverlässigkeit und längere Lebensdauer, vor allem bei einem Betrieb unter rauen Umgebungsbedingungen. Die neuen metallisierten Polypropylen-Folienkondensatoren der Serie F862 basieren auf fortschrittlichen Materialien und Prozesstechniken, welche die Anforderungen langlebiger und zuverlässiger Anwendungen wie Smart-Meter, Solarwechselrichtern und Automobilelektronik erfüllen.

Über den Autor:

Stefano Sartini arbeitet bei Kemet als Director Product Management.