Aluminium-Elektrolyt-Kondensatoren Leckströme machen Schaltungsmaßnahmen erforderlich

Die Qual der Wahl: Zwischenkreis-Topologien

Bei einer Parallelschaltung mehrerer Zweige aus in Serie geschalteten Elkos ergibt sich zudem noch die Frage nach der Topologie für die Symmetrierschaltung: Sollen alle Zweige einzeln symmetriert werden (Bild 6a) oder aber die Mittelpunkte aller Zweige miteinander verbunden werden und eine zentrale Symmetrierung (Bild 6b) erfolgen – oder sollen die Kondensatoren in Gruppen symmetriert werden? – siehe Bild 6c.
Jede der eben genannten Topologien hat spezifische Vor- und Nachteile [8]:

 

Vor- und Nachteile der Einzelsymmetrierung

Vorteil: Bei Ausfall eines Elkos durch Kurzschluss erfährt nur ein weiterer Elko im Zweig des defekten Elkos eine Beschädigung durch Überspannung. Die übrigen Elkos in der Bank bleiben zunächst unberührt vom Ausfall eines Zweigs der Bank.
Nachteil: Es entsteht ein höherer Schaltungsaufwand mit mehr Widerständen und Verbindungen  – und damit einem höheren Platzbedarf und Kosten.

Vor- und Nachteile der Zentralsymmetrierung

Vorteile: Im stationären Zustand nähern sich die mittleren Kapazitäts- und Leckstromwerte der oberen und unteren Zwischenkreishälfte aneinander an. Es kommen nur zwei Widerstände zum Einsatz, die durch die nahezu gleichen Leckstromwerte von oberer und unterer Zwischenkreishälfte höhere Ohmwerte haben dürfen bzw. sogar wegfallen können.
Nachteile: Bei Ausfall eines Elkos durch Kurzschluss können mehrere weitere Elkos durch Überspannung beschädigt werden. Eine gleichmäßige Aufteilung der Ströme auf die einzelnen Zweige erfordert eine sorgfältige Leiterführung zu den Elko-Anschlüssen sowie eine homogene Umgebungstemperatur im Bereich des Elko-Zwischenkreises.

Vor- und Nachteile der Gruppensymmetrierung

Bild 6c zeigt eine mögliche Kombination aus (a) Einzel- und (b) Gruppensymmetrierung, die allerdings auch alle Vor- und Nachteile der Einzelvarianten auf sich vereint. 

Alternativ zur passiven Symmetrierung finden auch Schaltungen zur aktiven Symmetrierung Einzug in die (Groß-) Umrichtertechnik. Das aktive Schaltungskonzept, das zum Beispiel in Kaskode-Spannungsfolger-Topologie ausgeführt werden kann, bietet einige Vorteile [9]:

  • Es können Widerstände mit kleineren Verlustleistungen eingesetzt werden
  • Energiekostenersparnis über die Betriebsdauer des Umrichters
  • Bessere Ausgleichsgenauigkeit im stationären Zustand
  • Kostengünstige Lösung

Ein Nachteil der aktiven Symmetrierung ist jedoch, dass beim Abschalten des Umrichters keine selbsttätige Entladung des Spannungszwischenkreises eintritt. Die sichere Entladung des Zwischenkreises nach dem Abschalten muss daher auf anderem Wege gewährleistet werden.

Abschließend bleibt festzuhalten, dass die Anwendbarkeit der hier formulierten Modelle und ihrer Ergebnisse im Einzelfall von der Baureihe und der Applikation abhängt. Daher ist immer eine intensive Projektbegleitung und Bestätigung der Abschätzungen durch den Elko-Hersteller erforderlich. 

Literatur

[1] Albertsen, A.: Elko-Grundlagen: Das »1 × 1« für Entwickler. Elektronik components, Oktober 2016, S. 35 bis 39.

[2] Albertsen, A.: Lebe lang und in Frieden! Hilfsmittel für eine praxisnahe Elko-Lebensdauerabschätzung. Elektronik components 2009, S, 22 bis 28.

[3] Albertsen, A.: Auf eine sichere Bank setzen – Zuverlässigkeit von Elektrolytkondensatoren. Elektronik components 2010, S. 14 bis 17.

[4] Albertsen, A.: Gebührenden Abstand einhalten! – Spannungsfestigkeitsbetrachtungen bei Elektrolytkondensatoren. Elektronik Power, S. 54 bis 57.

[5] Thiesbürger, K.H.: Der Elektrolytkondensator. Roederstein, Landshut (1991).

[6] Both, J.: Stromsparer – Reststromverhalten moderner Elektrolytkondensatoren. BCcomponents, Hamburg (2001).

[7] DIN EN 60384-4:2017-04, Festkondensatoren zur Verwendung in Geräten der Elektronik – Teil 4: Rahmenspezifikation – Aluminium-Elektrolyt-Kondensatoren mit festen (MnO2) und flüssigen Elektrolyten. DIN Deutsches Institut für Normung e. V., Berlin (2017).

[8] CLC/TR 50454:2008, Guide for the application of aluminium electrolytic capacitors. CENELEC, Brüssel (2008).

[9] Ertl, H.;  Wiesinger, T.; Kolar, J.W.: Active voltage balancing of DC-link electrolytic Capacitors. IET Power Electronics, 2008, Vol. 1, No. 4, S. 488 – 496.

 

Dr. Arne Albertsen 

studierte Physik mit dem Schwerpunkt Angewandte Physik an der Universität Kiel. Nach Diplom (1992) und Doktorarbeit (1994) über die Messung und Analyse von Stromzeitreihen aus Ionenkanälen in biologischen Membranen wechselte er in die Industrie. Seit 2001 widmet er sich als Mitarbeiter führender Hersteller (BCcomponents bzw. Vishay und KOA) dem Marketing und Vertrieb von passiven und diskreten aktiven Bauelementen. Seit November 2008 zeichnet er als Manager Sales & Marketing bei Jianghai Europe Electronic Components GmbH (Krefeld) verantwortlich für die Betreuung europäischer Key-Account-Kunden. Dr. Albertsen ist seit 2011 ehrenamtlich als Experte für Elektrolytkondensatoren und stellvertretender Obmann im Normungsgremium „K611“ der DKE Deutschen Kommission Elektrotechnik im DIN und VDE tätig.

a.albertsen@jianghai-europe.com