Schwerpunkte

Lucía Cabo und Fernando Rodríguez, TDK

Bei Zwischenkreiskondensatoren das Beste aus zwei Welten nutzen

14. Dezember 2020, 17:00 Uhr   |  Ralf Higgelke


Fortsetzung des Artikels von Teil 1 .

Neuartiger Wickelaufbau berücksichtigt HF-Effekte

D&E: Ein weiteres Themengebiet, mit dem sich TDK befasst hat, ist die Frequenzabhängigkeit des ESR. Warum ist der äquivalente Serienwiderstand so wichtig?

Rodríguez: Der ESR ist die Hauptursache für die Verlustleistung in einem Kondensator. Nimmt man einen handelsüblichen Leistungskondensator, so steigt der ESR über die Frequenz stark an. Um dies zu verdeutlichen, haben wir die Verluste in einem Kondensator bei einem Strom mit 20 Ampere Welligkeit und einer Frequenz von 50 Kilohertz und von 200 Kilohertz gemessen. Die Verluste betrugen dabei 1,6 Watt bei einer Spitzentemperatur von +42,7 Grad Celsius beziehungsweise 3,6 Watt bei +74,2 Grad Celsius (siehe Bild 4, Anm. d. Red.). Und im höherfrequenten Fall war die Temperaturverteilung auch wesentlich inhomogener.

TDK Electronics, DC-Link Capacitor, Film Capacitor
© TDK Electronics

Bild 4: Thermografie eines Kapazitätselements, das mit einem Brummstrom von 20 A bei verschiedenen Frequenzen beaufschlagt wurde. Dies veranschaulicht, wie sich der nichtlineare ESR auswirkt.

Es gibt mindestens vier grundlegende Ursachen für diesen Anstieg der ESR über die Frequenz. Zum einen ist die Impedanz inhomogen und es gibt interne Resonanzen mit den anderen Elementen eines realen Kondensators, beispielsweise mit der äquivalenten Serieninduktivität ESL. Zum anderen gibt es eine negative elektromagnetische Wechselwirkung, wie wir sie bei der oben erwähnten Messung gesehen haben. Drittens gehen die Wickelgeometrie und das Metallprofil der Anschlüsse in die Frequenzabhängigkeit ein. Und zu guter Letzt ist der bekannte Skin-Effekt zu nennen.

Das größte Potenzial zur Verbesserung bieten die ersten beiden: die inhomogene Impedanz und die internen Resonanzen sowie die negative elektromagnetische Wechselwirkung.

TDK Electronics, DC-Link Capacitor, Film Capacitor
© TDK Electronics

Bild 5: In einem Kondensator mit zwei Wickeln teilt sich der Strom aufgrund des unterschiedlichen ESL ungleichmäßig auf die beiden Wickel auf.

D&E: Können Sie bitte etwas mehr ins Detail gehen?

Rodríguez: Ein herkömmlicher Folienkondensator besteht aus zwei parallelen, übereinander angeordneten Wickeln. Betrachtet man die Stromverteilung über die Frequenz, stellt man fest, dass sie sehr inhomogen ist. Bei hohen Frequenzen fließt praktisch kein Strom in die Wicklung, die weiter von den Anschlüssen entfernt ist (siehe Bild 5, Anm. d. Red.). Als Folge davon differiert auch die Innentemperatur der einzelnen Wickel. Die Ursache hierfür ist der unterschiedliche ESL-Wert der Wickel.

Um die Frequenzkurve des ESR eines Kondensators abzuflachen, mussten wir einen neuen Satz von Designregeln für den inneren Aufbau des Kondensators festlegen.

D&E: Was für Designregeln sind das?

Rodríguez: Als Erstes müssen die Impedanzen aller kapazitiven Elemente innerhalb des Kondensators oberhalb, unterhalb und nahe an der Resonanzfrequenz des Kondensators miteinander übereinstimmen. Nur so ist sichergestellt, dass sich der Strom im Innern des Kondensators und seiner kapazitiven Elemente homogen verteilt. Eine weitere Designregel besagt, dass es zwingend erforderlich ist, eine Finite-Elemente-Analyse zu verwenden. Nur so ist gewährleistet, dass alle parasitären Elemente in der Struktur des Bauteils berücksichtigt werden. Dadurch lassen sich die unerwünschten Auswirkungen dieser parasitären Elemente wie Resonanzen und inhomogene Stromverteilungen vermeiden.

Eine weitere wichtige Designregel besteht darin, eine überlappende Busbar-Struktur von den Klemmen des Kondensators bis zum Anschlusspunkt der Wickel zu implementieren. Auf diese Weise lassen sich die parasitären Induktivitäten minimieren. Durch eine Busbar-Struktur konnten wir beispielsweise die Streuinduktivität eines Kondensators für die Automobilindustrie von zwölf Nanohenry auf sechs Nanohenry halbieren.

D&E: TDK wird einen Folienkondensator mit diesem neuen Hochtemperatur-Filmdielektrikum und basierend auf diesen Designregeln auf den Markt bringen. Können Sie mir angeben, wie weit Sie die Verluste wohl reduzieren können?

TDK Electronics, DC-Link Capacitor, Film Capacitor
© TDK Electronics

Bild 6: Der neue Hochfrequenzkondensator reduziert die Wechselstromverluste für einen Strom mit einem Effektivwert von 100 A um 40 % bei 45 kHz und um 80 % bei 100 kHz.

Rodríguez: Die AC-Verluste für einen Wechselstrom mit einem Effektivwert von 100 Ampere werden bei einer Frequenz von 45 Kilohertz um 40 Prozent und bei einer Frequenz von 100 Kilohertz um 80 Prozent reduziert (siehe Bild 6, Anm. d. Red.). Außerdem konnten wir die Frequenzkurve des ESR linearisieren. Normale Kondensatoren haben eine exponentielle ESR-Kennlinie.

D&E: Wann kommen die ersten Produkte auf den Markt?

Rodríguez: Schlüsselkunden, etwa Hersteller von Leistungshalbleitern, beliefern wir bereits mit Mustern. Denn wir wollen Felderfahrung mit diesem neuen Dielektrikum sammeln. Aber wir rechnen damit, dass wir im Jahr 2021 bereit sein werden, Produkte einzuführen.

D&E: Frau Doktor Cabo, Herr Rodríguez, vielen Dank für Ihre Zeit.

Das Interview führte Ralf Higgelke.

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2. Neuartiger Wickelaufbau berücksichtigt HF-Effekte

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