Kondensatoren in der Leistungselektronik Leistungsdichte lässt sich weiter steigern

Neue Wege um die Leistungsdichte der passiven Komponenten zu erhöhen.
Neue Wege um die Leistungsdichte der passiven Komponenten zu erhöhen.

In der Leistungselektronik wird nach neuen Wegen gesucht, um die Leistungsdichte passiver Komponenten, zum Beispiel von Aluminium-Elektrolytkondensatoren und von metallisierten Folienkondensatoren, zu erhöhen. FTCAP hat in beiden Segmenten neue Lösungen entwickelt.

Aluminium-Elektrolytkondensatoren bestehen aus imprägnierten, gewickelten Aluminiumfolien als Anode bzw. Kathode sowie einer Papier-Zwischenlage. Der Wärmewiderstand des Wickels ist in radialer Richtung wesentlich höher als in axialer Richtung, wo die metallische Leitfähigkeit des Aluminiums unterstützend wirkt, während die Mischung aus Elektrolyt/Papier und Aluminium in radialer Richtung einen höheren Widerstand aufweist. Der Wärmewiderstand Rth verhält sich umgekehrt proportional zur Oberfläche des Gehäuses.

Auf Basis dieser Gegebenheiten entstand bei FTCAP die Idee, die thermischen Eigenschaften von Elkos durch eine Vergrößerung der Gehäuseoberfläche zu verbessern. Dafür entwickelten die Husumer kubische axiale Kondensatoren mit einem hermetisch laserverschweißten Alugehäuse (Bild 1). Denn im Vergleich zu einem herkömmlichen becherförmigen Gehäuse erreicht die kubisch axial geformte Variante eine um 27 Prozent vergrößerte Oberfläche, die sich in mehrfacher Hinsicht positiv auswirkt, wie Untersuchungen ergaben.

Kubisch axiale Form schlägt Bechergehäuse-Variante

Ein Versuch, der die thermischen Eigenschaften der Kondensatoren mit unterschiedlich geformtem Gehäuse vergleicht, bestätigt das Konzept. Dafür wurden zwei axial verbleite Kondensatoren, für die dieselben Wickel- und Elektrolytmaterialien verwendet wurden, gegenübergestellt: Kondensator 1 befand sich im herkömmlichen Bechergehäuse mit einem Durchmesser von 18 x 50 mm und einer Oberfläche von 3,3 cm², verschlossen mit einem klassischen Deckel aus Hartpapier und Gummi. Das Gehäuse von Kondensator 2 in Quaderform in den Maßen 18 x 18 x 50 mm³ gelangte zu einer Oberfläche von 4,2 cm² und war durch einen per Laser verschweißten Aludeckel verschlossen.

Zur Ermittlung der thermischen Eigenschaften wurden Messelemente in den Kondensatoren verbaut, die die Temperatur an den heißesten Stellen im Wickel ermitteln sollten. Beide Kondensatoren wurden dann auf eine Kupferplatte montiert. Die Kühlung erfolgte mittels Peletierelement. Dann wurden beide Kondensatoren verschiedenen Rippelströmen und Kühlbedingungen ausgesetzt. Die gemessenen Werte sprachen deutlich für das von FTCAP entwickelte, innovative, kubisch axiale Design: Die um mehr als 27 Prozent vergrößerte Oberfläche zeigte bei der Kühlung einen geringeren Wärmewiderstand.

Das bedeutet, dass das kubisch axiale Modell bei gleichem Rippelstrom eine deutlich geringere Übertemperatur aufwies als die mit einem runden Bechergehäuse ausgestattete Variante. Auch die hermetische Laserverschweißung des Aludeckels erwies sich als wesentlich haltbarer als die Standardversiegelung aus Gummi und Hartpapier. Das wiederum führt zu wesentlich besseren Rippelstrom-Werten. „Insgesamt haben unsere Tests ergeben, dass die genannten Eigenschaften durch das innovative Gehäuse-Design außerdem zu einer Verdoppelung der Lebensdauer des Kondensators führen“, unterstreicht Dr. Thomas Ebel, Geschäftsführer bei FTCAP.