TDK: Hybrid-Polymer-Alu-Elko Minimaler ESR, maximale Performance

Vergleich des ESR-Verlaufs von Hybrid-Polymer-Alu-Elkos und konventionellen Alu-Elkos in Abhängigkeit von der Schaltfrequenz

TDK stellt den weltweit ersten Hybrid-Polymer-Alu-Elko in axialem Design vor. Er bietet eine Kapazität von 1300 µF bei einer Nennspannung von 25 V. Sein ESR liegt bei 3 mΩ. Damit ist der neue Kondensator in der Lage, einen Ripplestrom von bis zu 16 A zu tragen.

Ein entscheidendes Leistungsmerkmal von Alu-Elkos ist ihr ESR (Equivalent Series Resistance). Entsteht doch proportional zum ESR bei Beaufschlagung mit Wechselstrom EIN Ripple, eine Verlustleistung, die das Bauelement nach der Leistungsformel PV = ESR · I2AC aufheizt. Damit ist es die Kombination aus ESR und thermischem Widerstand, die maßgeblich die Stromtragfähigkeit klassischer Alu-Elkos begrenzt.

Zwar ist es in der Vergangenheit, wie Dr. Christoph Auer, Head of R&D Aluminium Electrolytic Capacitors der Aluminium & Film Capacitor Business Group von TDK, erläutert, durchaus gelungen, den ESR zu reduzieren, etwa durch entsprechende Designs wie der Multi-Tab-Anbindung der Folie, doch eine weitere deutliche Verringerung des ESR und damit eine kräftige Erhöhung der Stromtragfähigkeit der Alu-Elkos ließ sich mit konventioneller Technologie nicht mehr realisieren.

Ursache dafür ist die geringe Leitfähigkeit des flüssigen Elektrolyten, der die leitende Verbindung zwischen Kathodenfolie und Oxidschicht, dem Dielektrikum, an der Anode herstellt. So liegt die Leitfähigkeit dieser Elektrolyte bei etwa 0,01 S/cm. Reines Metall würde im Gegensatz dazu eine Leitfähigkeit von 58 x 104 S/cm aufweisen. Um den ESR spürbar zu senken und die Performance von Alu-Elkos deutlich zu steigern, haben die Entwickler bei TDK deshalb ein hochleitfähiges Polymer mit einer Leitfähigkeit von rund 1000 S/cm mit einem Flüssigelektrolyten kombiniert. Ergebnis dieser Kombination sind die weltweiten ersten axialen Hybrid-Polymer-Aluminium-Elektrolyt-Kondensatoren.

Neben der Senkung des ESR bietet die Hybrid-Technologie im Gegensatz zur ausschließlichen Verwendung von Polymeren noch einen weiteren Vorteil: Es bleibt die Selbstheilungsfähigkeit, also die Re-Oxidation von Defekten der isolierenden Oxidschicht des Alus-Elkos erhalten. Dies steigert die Spannungsfestigkeit, Temperaturbeständigkeit und Lebensdauer eines Hybrid-Polymer-Alu-Elkos im Vergleich zu einem reinen Polymer-Alu-Elko.

Nach Darstellung von Dr. Auer ermöglicht die Hybrid-Polymer-Technologie, abhängig von Temperatur und Nennspannung, eine um den Faktor 2 bis 5 gesteigerte Ripple-Stromtragfähigkeit. Aktuell auf dem Markt verfügbare Kondensatoren weisen jedoch nur relativ kleine Kapazitätswerte und Nennspannungen auf. Typisch dafür sind etwa 270 µF bei einer Nennspannung von 35 V mit Abmessungen von 10 x 10 mm2 in SMD-Ausführung. Je nach Produkt liegen die ESR-Werte in diesen Fällen zwischen 10 und 15 mΩ.

Um die gängige Technologie von Hybrid-Polymer-Alu-Elkos deutlich zu verbessern und somit bei geringeren ESR-Werten höhere Kapazitäts- und Leistungsdichten realisieren zu können, haben die Entwickler bei TDK an drei Punkten angesetzt: Material, Prozess und Design. Bei dem leitfähigen Polymer PEDOT:PSS handelt es sich um ein erprobtes Material, das bislang vor allem im Display-Bereich zum Einsatz kam. Im Fertigungsprozess kam es vor allem darauf an, die Imprägnierung mit Polymerdispersion auch in große Wickel vornehmen zu können. Beim Thema Design schließlich stand ein sehr geringer Metall-ESR durch Multi-Tab-Anbindung im Vordergrund, um die Vorteile der hohen Polymerleitfähigkeit auch in großen Bauformen in Kombination mit sehr geringem ESL nutzen zu können.