Power-Module glätten - Folienkondensatoren für Gleichspannungs-Zwischenkreise

Die Kondensatoren im Gleichspannungszwischenkreis dienen als Puffer für Energiespitzen im motorischen oder generatorischen Betrieb der Antriebsmaschine. Sie dämpfen Netzrückwirkungen, also leitungsgebundene EMV, und sie dienen in der Funktion als Snubber als Filterkomponenten zum Schutz der Schalttransistoren vor Spannungsspitzen und großem dU/dt (Spannungssteilheit).

Wichtige Eigenschaften von Zwischenkreiskondensatoren

Für die Filterfunktion gegen steilflankige Impulse sind eine niedrige Eigeninduktivität ESL (Equivalent Series Inductance) und ein kleiner ESR (Equivalent Series Resistance) von Vorteil. In den Datenblättern wird die Güte ausgedrückt als Verlustfaktor tan ♎︎. Die Verlustleistung, die im Kondensator am ESR abfällt, ist proportional zu tan ♎︎ und führt zu unerwünschter Eigenerwärmung.

Für die Funktion als Snubber platziert man den Kondensator wegen der parasitären Leitungsinduktivität möglichst mit geringer Leitungslänge am Schalttransistor. Die unvermeidlichen Verluste in den Transistoren der Endstufe führen ebenfalls zur Temperaturerhöhung, die die Lebensdauer benachbarter Bauteile verkürzt. Hier sind Folienkondensatoren robust und langlebiger, da sie, im Gegensatz zu Kondensatoren mit flüssigem Elektrolyt, nicht austrocknen.

Für Einspeisungen mit gleichgerichteter Netzspannung wurden hauptsächlich Elektrolytkondensatoren verwendet. Mit dem Einzug von aktiver Power-Factor-Correction oder Batteriespeisung und schneller schaltenden IGBTs und MOSFETs kommen - abhängig von der Spannungslage -zunehmend Folienkondensatoren oder keramische Kondensatoren zum Einsatz. Folienkondensatoren bieten im Vergleich zu Elektrolytkondensatoren einige Vorteile:

Hohe Spannungsfestigkeit, daher keine Reihenschaltung einzelner Kondensatoren mit zusätzlicher Spannungssymmetrierung notwendig

Hohe Temperaturfestigkeit durch Festkörper als Dielektrikum

Niedriger ESR und damit hohe Impulsleistung

Niedrige Eigeninduktivität, wirksam bei hohen Frequenzen und geeignet für hohes di/dt (Stromsteilheit)

Selbstheilend bei Ausführung mit segmentierter metallisierter Kunststofffolie, daher robust und sicher (◊Films fail open")

Lange Lebensdauer, kalkulierbare und allmähliche Alterung mit einhergehendem Kapazitätsverlust. Dank Selbstheilung kein plötzlicher Ausfall durch Kurzschluss mit resultierenden Folgeschäden.

Selbstheilung verhindert plötzlichen Ausfall

Als Selbstheilung wird die Fähigkeit des Kondensators beschrieben, mikroskopisch kleine interne Kurzschlüsse freizubrennen, die eine hochohmige Stelle hinterlassen. Damit die internen Kurzschlussbereiche klein bleiben, wenden die meisten Hersteller bei Power-Filmkondensatoren die seit Jahrzehnten bewährte Technologie der kontrollierten Selbstheilung an. Dabei ist die Metallisierung der Folie segmentiert. Jedes metallisierte Segment ist mit den Nachbarsegmenten nur über dünne Schmelzbrücken verbunden (Bild 1). Im Falle eines lokalen Durchbruchs im Dielektrikum schmelzen diese Verbindungsbrücken zu den benachbarten Segmenten und isolieren so das schadhafte Segment. Dadurch bleibt der Schaden lokal begrenzt und der Kondensator verliert nur einen kleinen Bruchteil seiner Kapazität.

Als Dielektrikum kommen häufig Polypropylen (PP) oder Polyester (PET) zur Anwendung. PP bietet einen geringen Verlustfaktor und eignet sich gut für die Impulsbelastung. PET verfügt über eine hohe spezifische Kapazität und einen geringen Volumenbedarf.

Kondensatoren für kleinere Leistungen

Für kleinere Leistungen genügen Standard-Einzelkondensatoren als Zwischenkreiskondensator. Sie werden auf einer Platine oder mittels Kupferschienen zur gewünschten Kapazität zusammengeschaltet. Dabei muss wegen der mechanischen Baugröße und der Masse der Kondensatoren auf die Langzeitstabilität von Lötstellen, Verschraubungen und PCB geachtet werden. Die Hersteller unterstützen dies durch Kondensatorgehäuse mit mehr als nur zwei Lötpins (Bild 2). Die Vorteile durch den Einsatz von Standardbauteilen für Printmontage sind die einfache Montage und die Skalierbarkeit des Gesamtsystems auf der Anwenderseite.

Passende Halbleitermodule für den Einsatz in Verbindung mit PCBs sind Infineons EasyPACK 1B & 2B sowie CIPOS oder Module z.B. im Gehäuse ACEPACK von STMicroelectronics.

Hohe Ströme erfordern Leistungs-Kondensatormodule

Im Zuge der Elektromobilität hat Infineon als Leistungsstufe für Traktionsinverter in Kraftfahrzeugen Halbleitermodule in den Gehäusen HybridPack 1, 2 und Drive eingeführt. Aufgrund der Höhe der fließenden Lastströme erfolgt die Kontaktierung nicht mehr über Pins, sondern über Stromschienen. Zugeschnitten auf Infineons Gehäuse, haben Hersteller von Folienkondensatoren passende vergossene Leistungs-Kondensatormodule entwickelt, darunter AVX, TDK Epcos, Rubycon und WIMA. Beispiele für geeignete Module finden sich in der Tabelle.

Interner Aufbau der Kondensatormodule

Da die Module aus Einzelwickeln bestehen, die über Schienen parallel geschaltet sind, bieten sie eine gute Skalierbarkeit der Gesamtkapazität, wenn Einzelelemente aus eingeschwungener Serienproduktion genutzt werden. Durch die Parallelschaltung der Einzelelemente im Kondensatormodul (Bild 3, Bild 4) erreichen sie gleichzeitig niedrige Werte für ESL und ESR.

Neben den Standardmodulen sind auch kundenspezifische Ausführungen der Kondensatoren und Transistoren möglich, wie sie z.B. in Teslas Inverter für die Hinterachse des Model 3 zu finden sind. Damit lassen sich Bauform, elektrische Werte und der mechanische Zusammenbau optimieren.

Engineering-Support

Doch nicht alleine die technischen Parameter aus dem Datenblatt und der Herstellungsprozess bestimmen heute die Qualität von Design-in-Bauteilen. Für Leistungskomponenten spielt auch die Unterstützung des Herstellers während der Selektionsphase und der Entwicklung eine wichtige Rolle. Denn damit lassen sich häufig Änderungen zu einem späteren Zeitpunkt verhindern und so die Time to Market verkürzen.

Thermische Simulation

Bei lohnenden Projekten bietet AVX die Thermosimulation ihrer Power-Folienkondensatoren als besonderen Service an. Damit können z.B. bei kundenspezifischen Kondensatormodulen der Materialeinsatz im Inneren optimiert und die Maßnahmen zur Entwärmung zu einem frühen Zeitpunkt in der Entwicklungsphase ausgelegt werden. Die Ergebnisse der thermischen Simulation (Bild 5) lassen sich zudem zur Lebensdauerabschätzung heranziehen.

Bei geeigneten Projekten vergießt AVX auf Wunsch Temperatursensoren mit in das Kondensatorgehäuse. Mit den Messergebnissen lässt sich das thermische Modell verifizieren und optimieren.

Lebensdauerabschätzung anhand eines Einsatzprofils

Für eine Abschätzung der Lebensdauer der Kondensatormodule in der Applikation benötigt der Hersteller die erwarteten Betriebsdaten während der Laufzeit des Systems, also ein Histogramm, das angibt, wie lange der Kondensator bestimmten Strom-, Spannungs-, Umgebungstemperatur-Kombinationen ausgesetzt ist. Daraus kalkuliert er mit Hilfe der errechneten oder gemessenen Temperatur im Inneren des Kondensators den Verbrauch an Lebenszeit. Die Grundlage hierfür bildet ein Lebensdauermodell des jeweiligen Kondensators, wie es AVX, TDK Epcos, Rubycon und WIMA für ihre Produkte haben. Die Grundlagen sind gut beschrieben, z.B. in Rubycons Technical Notes auf www.rubycon.com.

Elektrisches Ersatzschaltbild und 3D-CAD-Daten

In ein Simulationsmodell eingefügt, lässt sich mit dem elektrischen Ersatzschaltbild das dynamische Verhalten der elektrischen Größen im Betrieb und in Sondersituationen mit hohem di/dt, wie Notabschaltungen des Inverters, simulieren. Damit können Entwickler ohne Hardwareaufbau Schutzmaßnahmen gegen Spannungsspitzen dimensionieren.

Im einfachsten Fall wird ein Filmkondensator als Reihenschaltung von ESR, ESL und der errechneten Kapazität am Lebensende modelliert.

Bieten Kondensator-Hersteller CAD-Daten ihrer Produkte, kann der Kondensator einfach in die CAD-Konstruktionszeichnung des mechanischen Gesamtsystems eingebunden werden. Auch das spart wertvolle Entwicklungszeit.

Komponenten gibt es auf <link www.rutronik24.de _blank - "open internal link">www.rutronik24.de</link>.

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