Schwerpunkte

Lucía Cabo und Fernando Rodríguez, TDK

Bei Zwischenkreiskondensatoren das Beste aus zwei Welten nutzen

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

Bei Zwischenkreiskondensatoren das Beste aus zwei Welten nutzen
© WEKA Fachmedien

Dr. Lucía Cabo (links) leitet die Grundlagenforschung für Folienkondensatoren, Fernando Rodríguez (rechts) arbeitet in der Anwendungs- und Modellierungsgruppe, beide bei TDK. Auf dem Tisch liegt ein Muster des neu entwickelten Folienkondensators für Wide-Bandgap-Halbleiter.

Wide-Bandgap-Transistoren stellen sehr hohe Anforderungen an Zwischenkreiskondensatoren. TDK hat ein Filmdielektrikum entwickelt, das die Vorteile von Polypropylen auch bei höheren Temperaturen beibehält. Dazu fragten wir Dr. Lucía Cabo und Fernando Rodríguez, die maßgeblich dabei mitgewirkt haben.

DESIGN&ELEKTRONIK: Leistungshalbleiter mit großer Bandlücke – also Siliziumkarbid und Galliumnitrid – stellen besondere Anforderungen an Zwischenkreiskondensatoren. Was sind diese genau?

Dr. Lucía Cabo: Durch diese neuen Leistungshalbleiter beobachten wir einen wesentlich höheren Integrationsgrad des Umrichtersystems. Dies schließt die passiven Komponenten ein, insbesondere den Zwischenkreiskondensator. Damit einher geht jedoch eine Reihe von neuen Herausforderungen. Obwohl die Schaltverluste dieser neuen Umrichtersysteme insgesamt geringer sind, steigt die Temperaturbelastung für den Zwischenkreiskondensator deutlich. Dies hat mehrere voneinander unabhängige Gründe. Erstens liegen die Zwischenkreiskondensatoren aufgrund des höheren Integrationsgrades räumlich viel näher an den Transistoren, der vorrangigen Wärmequelle im System. Somit wird die von den Halbleitern erzeugte Wärme über die Stromschiene auf die Zwischenkreiskondensatoren abgeführt. Zweitens ist die Stromdichte viel höher, da der Wechselrichter erheblich kompakter ausfällt. Und drittens können Leistungshalbleiter mit großer Bandlücke bei höheren Temperaturen arbeiten.

Eine weitere Herausforderung für Zwischenkreiskondensatoren in diesen neuen Umrichtersystemen sind die hohen und schnellen Transienten, mit denen sie fertig werden müssen. Da Leistungshalbleiter mit großer Bandlücke wesentlich schneller schalten können als Siliziumbauelemente, müssen der Frequenzgang der Kondensatoren im Allgemeinen und insbesondere der des ESR bis in den Megahertz-Bereich wesentlich gleichmäßiger sein.

D&E: In vielen Anwendungen werden Aluminium-Elektrolytkondensatoren im Zwischenkreis eingesetzt. Welche Nachteile haben Alu-Elkos?

Cabo: Aluminium-Elektrolytkondensatoren sind in Anwendungen mit niedriger Leistung weit verbreitet. Bei höheren Leistungen eignen sich beide Technologien. Um dort die jeweils beste Lösung zu finden, sind weitere Parameter wie Leistung, Stromdichte und Frequenzgang zu berücksichtigen.

Fernando Rodríguez: Ich möchte hinzufügen, dass Aluminium-Elektrolytkondensatoren im Allgemeinen eine ausgezeichnete Lösung sind, da es sich hierbei um die Kondensatortechnologie mit der derzeit höchsten Energiedichte handelt. Allerdings hat sie zwei wesentliche Nachteile. Zum einen ist die Leistungsfähigkeit bei hohen Frequenzen nicht sehr gut, sie leiten höherfrequente Ströme also schlecht. Zum anderen ist ihr Verlustfaktor stark temperaturabhängig. Deshalb sind Folienkondensatoren auf der Basis von biaxial orientiertem Polypropylen die bessere Wahl, insbesondere wenn Leistungshalbleiter mit großer Bandlücke zum Einsatz kommen. Denn die Kapazität ist sehr temperaturstabil, und weil Folienkondensatoren über ihren gesamten Frequenzbereich geringe Verluste verursachen, eignen sie sich besonders bei hohen Leistungsdichten. Und Leistungshalbleiter mit großer Bandlücke werden gewöhnlich in Anwendungen mit hohen Leistungsdichten eingesetzt. Darüber hinaus haben Folienkondensatoren ausgezeichnete Selbstheilungseigenschaften und sind kostengünstig.

D&E: Folienkondensatoren sind jedoch nicht sehr temperaturfest. Was hat TDK unternommen, um dies zu reduzieren?

Cabo: Herkömmliche Folienkondensatoren auf der Basis von biaxial orientiertem Polypropylen können bei voller Leistung nur bis +105 Grad Celsius betrieben werden. Oberhalb davon ist ein Derating erforderlich. Alternative dielektrische Materialien besitzen nur eingeschränkte Selbstheilungsfähigkeiten, sind wesentlich schwieriger zu verarbeiten als Polypropylen und wesentlich teurer.

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

Bild 1: Durch Mischen von halbkristallinem Polypropylen und amorphem zyklischem Olefin-Copolymer entsteht eine Folie, die die besten Eigenschaften beider Einzelkomponenten vereint.

Um diese Problematik abzumildern, haben wir bei TDK ein neues Filmdielektrikum entwickelt. Dabei handelt es sich um eine Mischung aus Polypropylen und amorphem zyklischem Olefin-Copolymer. Dadurch können wir die vorteilhaften Eigenschaften beider Komponenten nutzen (siehe Bild 1, Anm. d. Red.). Polypropylen leicht lässt sich zu dünnen Filmen verarbeiten, ist aber in der Temperatur begrenzt. Amorphes cyclisches Olefin-Copolymer hingegen eignet sich für den Betrieb bei höheren Temperaturen, lässt sich aber nicht zu dünnen Filmen verarbeiten. Zur Herstellung der neuen Folie mischen wir das Granulat beider Ausgangsstoffe in einem definierten Verhältnis und extrudieren es zu einem Film mit einer Dicke bis hinunter zu drei Mikrometer.

D&E: Welche Vorteile hat dieses neue Filmdielektrikum?

Cabo: Mit dieser Mixtur lassen sich Kondensatoren nun bis zu +125 Grad Celsius ohne jegliches Spannungs-Derating betreiben. Darüber hinaus ist die neue Mischung fast so einfach zu verarbeiten wie herkömmliches Polypropylen, sodass wir die Folie in bestehenden Anlagen für Polypropylen mit nahezu dem gleichen Set-up herstellen können. Und nicht zu vergessen, das Gemisch besitzt die wichtigsten Vorzüge von Polypropylen wie einen niedrigen Verlustfaktor und die Selbstheilungsfähigkeit.

TDK Electronics, DC-Link Capacitor, Film Capacitor
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Bild 2: Gegenüber Polypropylen ist die neue Mixtur mechanisch stabiler.

Ein weiterer Vorteil ist, dass diese neue Mischung eine höhere mechanische Stabilität als biaxial orientiertes Polypropylen aufweist, denn die Schrumpfung in Querrichtung setzt erst bei Temperaturen über +130 Grad Celsius ein. Bei dieser Temperatur schrumpft Polypropylen bereits um ein Prozent (siehe Bild 2, Anm. d. Red.). Auch der spezifische Leckstrom bei höheren Temperaturen ist geringer. Bei +120 Grad Celsius und einer elektrischen Feldstärke von 250 Volt pro Mikrometer weist die neue Mixtur etwa 20 Mikroampere pro Mikrofarad auf, Polypropylen dagegen etwa 70 Mikroampere pro Mikrofarad. Häufig wird der spezifische Leckstrom nicht ausreichend berücksichtigt, zumal er die Ursache für einige der Fehlermodi von Folienkondensatoren ist. Er kann Korrosion fördern, die zu Hotspots und später zu Durchschlägen und Lawineneffekten führen können. Daher sind Kondensatoren mit unserem neuen Filmdielektrikum viel zuverlässiger.

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Bild 3: Die neue Mischung kann wesentlich höhere elektrische Feldstärken absorbieren als herkömmliches Polypropylen. Dadurch muss man solche Folienkondensatoren nicht so stark drosseln wie Standardbauteile mit Polypropylen.

Und zu guter Letzt kann unsere neue Mischung viel höhere elektrische Feldstärken aufnehmen als herkömmliches Polypropylen. Dadurch ist es unnötig, die Spannungsbelastung der Folienkondensatoren so stark zurückzunehmen wie bei Bauteilen aus Polypropylen. Dieser thermoplastische Kunststoff kann bei +120 Grad Celsius eine elektrische Feldstärke von bis zu 130 Volt pro Mikrometer aufnehmen, unsere neue Mischung jedoch 170 Volt pro Mikrometer (siehe Bild 3, Anm. d. Red.). Dies gibt dem Anwender zusätzlichen Spielraum.

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2. Neuartiger Wickelaufbau berücksichtigt HF-Effekte

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