Leistungskondensatoren Folienkondensatoren für SiC-Leistungshalbleiter

Dr. Lucia Cabo, Manager Basic R&D Film Capacitors in der Aluminium & Film Capacitors Business Group von TDK, und Fernando Rodriguez aus der Application and Modelling Group der Film Technology Group in der Aluminium & Film Capacitors Business Group von TDK haben die Entwicklung der neuen HF-Folienkondensatoren für den Einsatz mit WBG-Halbleitern im spanischen Malaga vorangetrieben.

TDK hat mit COC-PP ein neues Dielektrikum entwickelt, das Einsätze im Hochtemperaturbereich bis +125 °C ermöglicht.

Mit den darauf basierenden HF-Folienkondensatoren der Serie B25640* ist der problemlose Einsatz dieser Leistungskondensatoren als Zwischenkreis-Kondensator im Zusammenspiel mit SiC-Leistungshalbleitern möglich.

Immer häufiger werden in der Leistungselektronik siliziumbasierte Leistungshalbleiter durch GaN- oder SiC-Leistungshalbleiter abgelöst. Diese neuen Wide-Bandgap-Materialien stellen hohe Ansprüche an die mit ihnen zusammen eingesetzten passiven Bauelemente. Besonders gilt das beim Thema Zwischenkreiskondensatoren.

Für Leistungselektronik-Entwickler, etwa im Bereich Stromversorgung oder Umrichter, bieten Wide-Bandgap- (WBG) Materialien die Möglichkeit, ihr jeweiliges Produkt mit Schaltfrequenzen im dreistelligen kHz-Bereich betreiben zu können. Ihre steilen Schaltflanken ermöglichen zudem eine höhere Energieeffizienz. Wegen der hohen Schaltfrequenzen kommen immer häufiger Folienkondensatoren als Zwischenkreis-Kondensatoren zum Einsatz.

Um die Leitungslängen und damit die parasitären Induktivitäten in solchen Applikationen möglichst klein zu halten, werden diese Kondensatoren über Busbars sehr eng an die WBG-Module angebunden. Dabei tritt aber ein Problem auf: Da die WBG-Halbleiter mit hohen Sperrschichttemperaturen betrieben werden, kommt es über die Busbars auch zur Erwärmung der Zwischenkreis-Kondensatoren. Bislang liegt das Temperaturlimit konventioneller Folienkondensatoren mit einem Dielektrikum aus biaxial orientiertem Polypropylen (BOPP) jedoch bei +105 °C.

TDK ist es inzwischen gelungen, ein Dielektrikum zu entwickeln, das auch bei hohen Dauertemperaturen einsetzbar ist. Es ist aus zwei Basismaterialien zusammengesetzt: semikristallines Polypropylen, das sich sehr gut zu Folien verarbeiten lässt, und amorphes Cycloolefin-Copolymer (COC), das eine sehr hohe Temperaturverträglichkeit aufweist.

Das auf diese Weise erzeugte Dielektrikum (COC-PP) ist mit wesentlich geringerem Derating bei Temperaturen von über 125 °C einsetzbar. Besonders positiv: Die guten Selbstheilungseigenschaften von BOPP bleiben bei dem neuen Material erhalten. Darüber hinaus lassen sich mit dem neuen Material sehr dünne Folien mit nur 3 µm Dicke fertigen.

Minimaler ESR

Auch Folienkondensatoren weisen einen komplexen ESR auf – eine Serienschaltung aus einem ohmschen und einem kapazitiven Anteil. Mit steigenden Frequenzen nimmt dieser frequenzabhängige Widerstand stark zu. Für diesen Anstieg sind im Wesentlichen inhomogene Impedanzen, Skin-Effekte sowie Wicklungsgeometrien verantwortlich.

Sie führen zu unerwünschten Resonanzen und elektromagnetischen Effekten. Diese wiederum haben eine Erwärmung des Kondensators zur Folge. Ist ein Kondensator intern aus mehreren Wickeln aufgebaut, wirkt sich das besonders negativ aus. Unterschiedliche interne Leitungslängen und andere Faktoren führen dabei zu einer stark frequenzabhängigen Stromverteilung auf die einzelnen Wickel (Bild 2).

Mithilfe von CAD und Simulations-Software hat TDK vor diesem Hintergrund darum die neue HF-Leistungskondensatoren der Serie B25640* entwickelt. Sie verfügen über ein optimiertes Design, unter anderem mit einer einzelnen Wicklung, das speziell auf den Einsatz mit SiC-Halbleitern zugeschnitten ist. Mit Nenngleichspannungen von 700 bis 2200 V sowie Kapazitäten von 379 bis 2300 µF und möglichen Schaltfrequenzen bis zu 2 MHz eignen sie sich für die neue Generation von Umrichtern für Traktion, Industrieantriebe und erneuerbare Energien.

Aufgrund des neuen Dielektrikums ist es möglich, diese Kondensatoren auch ohne Spannungs-Derating bei Temperaturen von bis zu 125 °C zu betreiben. Einer ihrer großen Vorteile liegt im niedrigen ESL-Wert von nur 10 nH. Gegenüber herkömmlichen Standardkondensatoren bedeutet das bei einer Frequenz von 100 kHz eine Reduzierung der AC-Verluste von rund 80 Prozent. Dadurch tritt selbst bei hohen, schnell geschalteten Strömen nur ein geringes Überschwingen der Spannung auf, weshalb die Entwickler sogar auf Snubber-Kondensatoren verzichten können.

Aktuell stehen die neuen HF-Filmkondensatoren in vier Größen zur Verfügung: 205 × 174 × 75 mm3, 205 × 174 × 100 mm3, 210 × 126 × 70 mm3 und 210 × 126 × 95 mm3. Sie bieten Stromdichten bis zu 150 A/mF bei 700 V und 950 A/mF bei 2200 V. Derzeit finden verschiedene Entwicklungsprojekte mit den neuen HF-Folienkondensatoren statt. So beispielsweise mit einem 1500-V-Leistungsmodul von Infineon Technologies für Solaranwendungen. Weitere Entwicklungsprojekte werden beispielsweise mit einem Alstom Traction Converter und einem Traction Power Module von Mitsubishi vorgetrieben.