TDK / Zwischenkreiskondensatoren Spezielles Kondensator-Dielektrikum für SiC und GaN

Fernando Rodríguez von der Applikations- und Modellierungsabteilung und Dr. Lucía Cabo, Leiterin der Grundlagenforschung Filmkondensatoren bei TDK, stellten den hochtemmperaturfesten Filmkondensator vor
Fernando Rodríguez von der Applikations- und Modellierungsabteilung und Dr. Lucía Cabo, Leiterin der Grundlagenforschung Filmkondensatoren bei TDK, stellten den hochtemmperaturfesten Filmkondensator vor.

Leistungstransistoren auf Basis von Galliumnitrid und Siliziumkarbid stellen sehr hohe Ansprüche an Zwischenkreiskondensatoren. TDK hat nun ein Dielektrikum zu entwickelt, sodass solche Filmkondensatoren statt bis +105 °C nun bis +125 °C einsetzbar sind, sowie deren Wickelaufbau optimiert.

Halbleiterschalter aus Galliumnitrid (GaN) und Siliziumkarbid (SiC) bieten bei leistungselektronischen Anwendungen den großen Vorteil, dass sie mit Schaltfrequenzen im dreistelligen Kilohertz-Bereich betrieben werden können. Gleichzeitig weisen sie schnelle Schaltflanken auf, was den Wirkungsgrad steigert. Wegen der hohen Schaltfrequenzen werden zunehmend Folienkondensatoren im Zwischenkreis (DC-Link) eingesetzt.

Um die Leitungslängen und damit die parasitären Induktivitäten möglichst klein zu halten, werden die Kondensatoren über Busbars sehr nah an die Leistungselektronik angebunden. Die Problematik dabei: Diese Halbleiter werden sehr heiß und die Temperaturen gelangen über die Busbars auch an die Zwischenkreiskondensatoren. Die thermische Obergrenze konventioneller Folienkondensatoren mit einem Dielektrikum aus biaxial orientiertem Polypropylen (BOPP) liegt jedoch bei nur +105 °C.

Mischung aus zwei Dielektrika

TDK hat ein Dielektrikum entwickelt, das sich auch bei hohen Temperaturen dauerhaft einsetzen lässt. Dabei handelt es sich um eine Kombination zweier Basismaterialien. Der eine Bestandteil ist semikristallines Polypropylen, das sich sehr gut zu Folien verarbeiten lässt, der andere ist amorphes cyclisches Olefin-Copolymer (COC), das hohe Temperaturen verträgt. Das so erzeugte Dielektrikum (COC-PP) kann mit wesentlich geringerem Derating bei Temperaturen von über +125 °C eingesetzt werden, wobei die guten Selbstheilungseigenschaften von BOPP erhalten bleiben. Außerdem lassen sich damit extrem dünne Folien mit nur 3 µm Dicke fertigen. Bild 1 zeigt das deutlich verbesserte Schrumpfungs- und Derating-Verhalten von COC-PP im Vergleich konventionellem BOPP.

Dazu sprachen wir mit Dr. Lucía Cabo, Leiterin der Grundlagenforschung Filmkondensatoren bei TDK, und Fernando Rodríguez von der Applikations- und Modellierungsabteilung.

Wie alle Kondensatoren weisen auch Folienkondensatoren eine komplexe Impedanz auf, eine Serienschaltung aus einem ohmschen und einem kapazitiven Anteil. Entsprechend ergibt sich daraus ein frequenzabhängiger Widerstand, der mit steigenden Frequenzen stark zunimmt. Im Wesentlich sind für diesen Anstieg inhomogene Impedanzen, Skin-Effekte sowie Wickelgeometrien verantwortlich. Sie führen zu unerwünschten Resonanzen und elektromagnetischen Effekten, sodass sich der Kondensator erwärmt.

Besonders negativ wirkt sich dies aus, wenn ein Kondensator intern aus mehreren Wickeln aufgebaut ist. Unterschiedliche interne Leitungslängen und andere Faktoren führen dann zu einer stark frequenzabhängigen Stromverteilung auf die einzelnen Wickel (Bild 2).

Mit Hilfe von CAD- und Simulationssoftware konnte TDK das innere Design ihrer HF-Leistungskondensatoren optimieren. Diese bieten auch bei den hohen Frequenzen und Temperaturen, mit denen WBG-Halbleiter betrieben werden, dank minimiertem ESR eine hohe Performance mit vergleichsweise geringen Verlusten (Bild 3).

Die neuen Kondensatoren der Serie B25640* sind speziell auf SiC-Halbleiter zugeschnitten. Mit Nenn-Gleichspannungen von 700 V bis 2200 V und Kapazitäten von 379 µF bis 2300 µF eignen sie sich für die neue Generation von Umrichtern für Traktion, Industrieantriebe und erneuerbare Energien. Mit dem COC-PP-Dielektrikum können die Kondensatoren auch ohne Spannungs-Derating bei Temperaturen von bis zu +125 °C betrieben werden. Ein großer Vorteil ist der sehr geringe Serien-Ersatzinduktivität ESL von nur 10 nH. Dadurch tritt selbst bei hohen, schnell geschalteten Strömen nur ein geringes Überschwingen der Spannung auf, sodass man sogar auf Snubber-Kondensatoren verzichten kann.