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Zwischenkreiskondensatoren

Wellenbrecher für Überspannungen

26. Mai 2021, 07:00 Uhr   |  Wolfgang Rambow und Marco Honsberg

Wellenbrecher für Überspannungen
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Sehr leistungsstarke IGBT-Module schalten Ströme im Kiloampere-Bereich, sodass Streuinduktivitäten im Zwischenkreis unerwünschte und teils schädliche Spannungsüberhöhungen bewirken können. Doch die lassen sich wirksam begrenzen.

Bei seinem neuesten IGBT-Modul SkiiP 4 mit bodenplattenlosem DBC-Konzept (Direct Bond Copper) auf einem Hoch­leistungskühler hat der Hersteller Semikron sowohl das Design als auch die Performance weiter optimiert. Dadurch kann das SKiiP2414GB17E4-4DUHP, das aus vier IGBT-­Halbbrücken besteht, nun um 25 Prozent höhere Ströme  von deutlich mehr als 2400 A bei einer Spannung von bis zu 1700 V schalten kann.

Übersicht der niederinduktiven DC-Link-Kondensatoren aus der Epcos-Familie von TDK Electronics
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Tabelle 1. Übersicht der niederinduktiven DC-Link-Kondensatoren aus der Epcos-Familie von TDK Electronics.

Bei solch hohen Strömen stoßen die meisten herkömmlichen DC-Link-Designs aufgrund ihrer Streuinduktivitäten schnell an ihre Grenzen. Das SkiiP-4-Modul kann die Ausschaltgeschwindigkeit bei sehr hohen Zwischenkreisspannungen zwar intelligent anpassen, um die Halbleiter beim Ausschalten vor zu hoher transienter Überspannung zu schützen. Aber diese Schutzfunktion kann zusätzliche Verluste erzeugen und ist bei kontinuierlichem Betrieb eigentlich ein Indiz für eine zu hohe Zwischenkreisinduktivität. Daher ist es sinnvoll, diese Induktivität zu verringern, um sowohl den Spannungsstress beim Abschalten der IGBTs als auch die Ausschalt­verluste der IGBTs zu reduzieren.

Verschiedene DC-Link-Kondensatoren aus der Epcos-Familie von TDK Electronics für die neuesten IGBT-Generationen
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Bild 1. Verschiedene DC-Link-Kondensatoren aus der Epcos-Familie von TDK Electronics für die neuesten IGBT-Generationen.

Speziell für neue Generationen von IGBT-Modulen hat TDK besonders niederinduktive DC-Link-Konden-satoren der Serien B256* entwickelt. Tabelle 1 zeigt Eckdaten und Bild 1 Beispiele dieser Typen. Neben den sehr geringen Eigeninduktivitäten besitzen diese Kondensatoren selbst im Frequenzbereich bis 100 kHz sehr geringe ESR-Werte, was die Verlustleistung niedrig hält.

DC-Link-Kondensatoren werden entweder einzeln oder als Kondensatorbank an die SkiiP-4-Module über Busbars angeschlossen und befinden sich im Regelfall direkt neben den Modulen. Durch diese kurzen Leitungslängen ist sichergestellt, dass die Induktivitäten niedrig sind. In vielen Fällen ist eine solche Montage bedingt durch den vorhandenen Bauraum jedoch nicht möglich.

Passgenaue Snubber-Kondensatoren

Kenndaten der für die SkiiP-4-Module von Semikron optimierten Snubber-Kondensatoren von TDK
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Tabelle 2. Kenndaten der für die SkiiP-4-Module von Semikron optimierten Snubber-Kondensatoren von TDK.

Um trotz einer vom Modul abgesetzten Kondensatorbank ein niederinduktives Design ohne extreme Überspannungen realisieren zu können, hat TDK jetzt zwei zusätzliche Snubber-Spezialkondensatoren vorgestellt, die von ihren mechanischen wie elektrischen Parametern auf alle SkiiP-4-Module abgestimmt sind. Tabelle 2 zeigt deren Kenndaten. Eine Besonderheit ist der Höhenversatz der Anschlusslaschen, der exakt an die entsprechende Geometrie der SkiiP-4-Module angepasst wurde (Bild 2).

Die Snubber-Kondensatoren aus der Epcos-Serie von TDK sind mechanisch und elektrisch auf die SkiiP-4-Module von Semikron abgestimmt
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Bild 2. Die Snubber-Kondensatoren aus der Epcos-Serie von TDK sind mechanisch und elektrisch auf die SkiiP-4-Module von Semikron abgestimmt.

Durch die Neuentwicklung dieser Snubber-Kondensatoren war es auch möglich, ihren inneren Aufbau zu optimieren.

Wie im Bild 3 zu sehen ist, ließ sich die Geometrie der Snubber-Kondensatoren so anpassen, dass diese direkt auf die Busbar-Anschlüsse des Moduls aufgeschraubt werden können und damit auch die Streuinduktivität des Zwischenkreises entsprechend niedriger ausfällt.

Durch die spezielle Geometrie der Snubber-Kondensatoren lassen sie sich direkt auf die Busbar-Anschlüsse des Moduls aufschrauben
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Bild 3. Durch die spezielle Geometrie der Snubber-Kondensatoren lassen sie sich direkt auf die Busbar-Anschlüsse des Moduls aufschrauben, sodass die Streuinduktivität des Zwischenkreises entsprechend niedrig ausfällt.

Die optimierte Form des Gehäuses sowie der Anschlüsse der Snubber-Kondensatoren und deren unterschiedlichen Höhen führen dazu, dass die Einfügeinduktivität möglichst gering ausfällt und die Snubber-Kondensatoren möglichst effektiv arbeiten. Die somit erreichten deutlich niedrigeren Überspannungen in Doppelpuls-Tests (Mankel-engineering.de) erlauben es, das SkiiP-4-Modul auch mit weniger optimierbaren Zwischenkreiskonstruktionen mit deutlich höherem Ausgangsstrom zu betreiben.

 Dank der Snubber-Spezialkondensatoren wird die Spannungsüber­höhung (Voltage Overshoot) beim schnellen Abschalten eines Stroms von 2500 A um mehr als 200 V reduziert
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Bild 4. Dank der Snubber-Spezialkondensatoren wird die Spannungsüber­höhung (Voltage Overshoot) beim schnellen Abschalten eines Stroms von 2500 A um mehr als 200 V reduziert.

Durch diese Optimierung verringern sich die Luft- und Kriechstrecken der Konstruktion nicht. Gleichzeitig lässt sich der vorhandene Bauraum optimal nutzen. Weniger optimierte Snubber-Kondensatoren büßen an Kapazität ein. Besonders in kritischen Situationen ist es entscheidend, dass die Snubber-Kapazität aufrechterhalten und stabil bleibt, um mögliche Schäden an den IGBT-Modulen zu verhindern. Bild 4 veranschaulicht deutlich die Wirkung der Snubber-Kondensatoren an den SkiiP-4-Modulen beim schnellen Abschalten eines Stroms von 2500 A.

Die neuen Snubber-Spezialkondensatoren sind nicht nur für neue Designs einsetzbar, sondern eignen sich auch für ein Retrofit-Upgrade bestehender Kon-verter – selbst mit nicht völlig optimierbaren DC-Link-Designs – um eine deutlich erhöhte Perfor-mance mit den neuen SkiiP-4-Modulen auf High-Performance-Kühlern zu realisieren. Die beschrie-benen Snubber-Spezialkondensatoren sind keine Standard­serienbauteile und daher nicht online zu finden.

Die Autoren

Wolfgang-Rambow von TDK Electronics
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Wolfgang Rambow von TDK Electronics.

Wolfgang Rambow

ist Senior Director Sales Technical Support bei TDK Electronics.

Marco-Honsberg von Semikron
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Marco-Honsberg von Semikron.

Marco Honsberg

ist Senior Manager Product Management Intelligent Power Modules and Electronics bei Semikron.

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