Zwischenkreiskondensator von Epcos Neues Material für Umrichter

CeraLink-Zwischenkreiskondensator von Epcos
CeraLink-Zwischenkreiskondensator von Epcos

Umrichter mit den neuen Halbleitermaterialien SiC oder GaN können mit sehr hohen Schaltfrequenzen arbeiten. Doch die bestehenden Kondensatortechnologien wie Folien-, Aluminium-Elektrolyt- oder bisherige Keramik-Vielschichtkondensatoren können diesen Anforderungen kaum mehr gerecht werden. Nun hat Epcos ein neues Keramikmaterial gefunden.

Mit »CeraLink« hat Epcos eine neue Kondensatortechnologie auf Keramikbasis vorgestellt, die für die Anforderungen moderner Umrichter in der Leistungselektronik konzipiert ist. Getrieben von den Forderungen nach immer mehr Effizienz und Kompaktheit können moderne Halbleiterbauelemente immer schneller schalten, wodurch auch hohe Anforderungen an die eingesetzten Kondensatoren gestellt werden: stabiler Betrieb bei hohen Temperaturen, große Stromtragfähigkeit bei hohen Schaltfrequenzen und kein Kapazitätsabfall bei hohem DC-Bias.

Kern der neuen Lösung ist ein antiferroelektrisches Keramikmaterial aus PLZT (Blei-Lanthan-Zirkonat-Titanat). Dieses RoHS-kompatible Material wird von piezoelektrischem PZT (Blei-Zirkonat-Titanat) abgeleitet durch Erhöhung des Zirkonat-Gehalts und Hinzufügen von Lanthan. Es weist eine extrem hohe Dielektrizitätskonstante auf, die mit steigender Vorspannung sogar noch zunimmt. Um den ESR-Wert auf ein Minimum zu begrenzen, ist CeraLink als keramisches Vielschichtbauelement mit Kupferinnenelektroden konzipiert worden. So liegt der ESR bei über +80 °C unter 1 mΩ. Seine Betriebstemperatur darf dauerhaft bei über +100 °C liegen, kurzzeitig sind bis zu +150 °C erlaubt. Außerdem ist die Strombelastbarkeit von CeraLink laut Hersteller bei Frequenzen über 10 kHz hervorragend; der ESL liegt unter 4 nH. Die Stromdichte weist Epcos mit bis zu 5 A/μF aus, den Stromanstieg di/dt mit über 1 kA/μs.

Die Prototyp-Produktpalette deckt ein Kapazitätsspektrum von 1 μF bis 100 μF bei einer Nennspannung von 400 V ab. Unter den verfügbaren Anschlussformen sind SMD-Lösungen, Lötstiftkontakte und Busbar.

Erste Referenzdesigns zeigen, dass sich mit CeraLink die Systemleistung wesentlich verbessern lässt. Beispielsweise erreicht ein schnell schaltender IGBT-DC/DC-Wandler unter Verwendung eines Kondensators mit 20 μF die gleiche Leistungsfähigkeit wie eine bestmögliche MOSFET-Lösung unter Verwendung eines konventionellen Gleichstrom-Zwischenkreises. Außerdem wurde ein sehr kompakter Hauptantriebs-Umrichter für Plug-in-Hybridfahrzeuge entworfen, in dem die neuen 100-μF-Bausteine mit Busbar-Anschlüssen auf den drei Halbbrücken-IGBT-Modulen installiert wurden.

Zusätzlich zu einer verbesserten Systemleistung bei Anwendungen mit hohen Schaltfrequenzen unterstützt CeraLink auch die Integration des Kondensators zusammen mit Halbleitern. Beispielsweise kann ein 1-μF-SMD-Bauteil gleichzeitig als Gleichstrom-Zwischenkreis und als Snubber-Kondensator dienen und lässt sich in ein Halbleitermodul integrieren. Dies reduziert die Induktivität noch weiter und ermöglicht sehr hohe Stromwechselraten.