Leistungswandler sind ständigen Veränderungen unterworfen. Ob dreiphasiger Wechselstrom, einphasiger Wechselstrom oder Gleichstrom, Entwickler und Forscher im Elektronikbereich sind ununterbrochen auf der Suche nach Innovationen und stellen dabei höchste Ansprüche an Sicherheit und Zuverlässigkeit. Seit Jahrzehnten sind Silizium-IGBTs die bevorzugte Option für Schaltungen. Silizium bietet jedoch nur wenig Spielraum für die Weiterentwicklungen, die erforderlich sind, um Wirkungsgrad und Leistungsdichte erheblich zu verbessern. Auf der Suche nach Alternativen haben Entwickler untersucht, welche Möglichkeiten Materialien mit breiter Bandlücke wie Siliziumkarbid (SiC) bieten. SiC-MOSFETs bieten die gleiche oder eine bessere Spannungsfestigkeit und einen geringeren Widerstand als IGBTs, jedoch ohne deren Probleme mit dem Abschaltstrom. Sie schalten auch bei höheren Frequenzen, sodass Applikationen für Wandler und Umrichter effizienter und kompakter sein können.

Es ist jedoch nicht damit getan, IGBTs durch SiC-MOSFETs zu ersetzen. Die verwendeten höheren Schaltfrequenzen erfordern Änderungen bei den unterstützenden passiven Bauteilen. Hier spielen die Zwischenkreiskondensatoren eine wesentliche Rolle beim Ausgleich der Momentanleistung zwischen Eingang und Ausgang (Abbildung 1) und müssen unter Umständen auch als Teil der Überbrückungsfunktion des Umrichters genügend Energie liefern.

Entwickler nehmen sich bei der Auswahl von Kondensatoren viel Zeit, da sie eine der Hauptquellen für Ausfälle im Feld sind. Die Umwelt, in der Umrichter und Wandler eingesetzt werden, ist oft rau, und Temperatur, Feuchtigkeit und Vibration können extreme Werte erreichen. Außerdem verlangen die Kunden nach physisch kleineren und leichteren Geräten. Diese Anforderungen verlangen eine höhere Leistungsdichte und stellen komplexe thermische Herausforderungen dar, die es zu lösen gilt.

Neue Familien von Zwischenkreiskondensatoren

Die Kondensatoren der Baureihe ModCap™ von TDK erfüllen die Anforderungen sowohl von IGBT- als auch von SiC-Designs. Diese ultrakompakten und hochleistungsfähigen Bauteile wurden für die Design-Anforderungen von Wandlern für Photovoltaik- und Windturbinen sowie von Umrichtern für den Bahnbetrieb (Nahverkehrszüge, elektrische Triebzüge) und für industrielle Laufwerke entwickelt (Abbildung 2).

Die Baureihe ModCap MF eignet sich für IGBT-Module aus Silizium, während die Baureihe ModCap HF für die Hochfrequenz-Umgebungen von SiC-Modulen geeignet ist. Ihr Betriebsverhalten wird durch das flache Wicklungsdesign und die Kopplung der Kontakte (Abbildung 3) mit einer neuartigen internen Sammelschiene erreicht. Dies ermöglicht ein mechanisches Design, bei dem die Kondensatoren sehr nahe an den IGBT- oder SiC-Leistungsmodulen platziert sind. Zudem trägt es zur hervorragenden Aufnahmefähigkeit der ModCap-Kondensatoren für Hochfrequenz-Oberschwingungen bis in den Kilohertz-Bereich bei.

Dadurch, dass die beiden Bauteile so nahe beieinander liegen, sind die Leitungslängen zwischen Kondensatoren und Schaltern kurz, was die Streuinduktivität auf bis zu 8 nH senkt. Infolgedessen wird das Überschwingen beim Ausschalten der Schalter reduziert, wodurch Snubber-Kondensatoren in den meisten Fällen überflüssig werden. Der ESR über die Betriebsfrequenz liegt je nach gewähltem Gehäuse bei der Baureihe MF zwischen 0,3 mΩ und 3,0 mΩ und bei der Baureihe HF zwischen 0,3 mΩ und 1,3 mΩ.

Erreichen der thermischen und elektromagnetischen Ziele

Die Flachwicklungen befinden sich in einem mit Polyurethanharz gefüllten Kunststoffgehäuse. Für beide Produktfamilien wird biaxial orientiertes, hochkristallines Polypropylen (BOPP) als Dielektrikum verwendet. Eine einzigartige Bedampfung der Folie optimiert die Fähigkeiten zur Selbstheilung des Kondensators, während die geringere Breite der Folie dazu beiträgt, hohe Stromdichten zu unterstützen und Verluste zu reduzieren. Diese Design-Entscheidungen und die Auswahl des Materials haben zu einem Kondensator geführt, der eine konstante Hotspot-Temperatur von 90 °C erreicht. Dadurch kann in einigen Applikationen auf eine Zwangskühlung verzichtet werden, was die Systemkosten senkt.

TDK verfügt auch über ein thermisches Modell für die Finite-Elemente-Analyse (FEA). Dieses unterstützt Entwicklerteams bei den thermischen Herausforderungen ihrer Wandler im Zusammenhang mit der mechanischen Baugruppe, der Sammelschiene und dem Kühlsystemansatz.

Eine elektromagnetische Modellierung im Zeit- und Frequenzbereich ist ebenfalls möglich (Abbildung 4). Verluste und ihre Verteilung können über das Strom-Frequenz-Spektrum bestimmt werden, indem das Strom-Frequenz-Spektrum des Kunden mit dem Design der TDK-Kondensatoren kombiniert wird. Auch der ESR kann berechnet werden, was für eine zusätzliche thermische Modellierung genutzt werden kann.

Erreichen von Nachhaltigkeitszielen

Es wurden auch erhebliche Anstrengungen unternommen, um den CO2-Fußabdruck der ModCap-Baureihe durch die Verwendung von biozirkulärem BOPP zu reduzieren. Die Folie enthält ISCC-zertifizierte erneuerbare Materialien der zweiten Generation aus Abfällen und Reststoffen wie Altspeiseöl und aus der Papier- und Zellstoffindustrie. Sie ist chemisch identisch mit Folien, die ausschließlich aus fossilen Rohstoffen hergestellt werden, und weist die gleichen elektrischen und physikalischen Eigenschaften auf, sodass Konflikte mit dem Lebensmittel- und Futtermittelanbau vermieden werden.

Robuste Zwischenkreiskondensatoren für Kompaktumrichter

Die ModCap MF-Familie vom Typ B25645 ist für 900 V DC bis 2.300 V DC ausgelegt und mit Kapazitäten von 335 µF bis 3.900 µF erhältlich. Die maximale Welligkeit beträgt bis zu 424 V _peak-peak bei Nennströmen (1 kHz) zwischen 105 A und 200 A. Je nach gewählter Bauform liegt der Wärmewiderstand zwischen 1 K/W (205 × 90 × 170 mm) und 1,4 K/W (220 × 115 × 215 mm). Die Betriebsbandbreite beträgt bis zu 50 kHz, und die Induktivität liegt unter 14 nH.

Die ModCap HF-Familie vom Typ B25647 erfüllt die Anforderungen von SiC-MOSFETs und hat eine Betriebsbandbreite von bis zu 100 kHz. Sie sind für 900 V DC bis 1.600 V DC ausgelegt und mit Kapazitäten von 640 µF bis 1.850 µF erhältlich. Die Induktivität beträgt 8 nH oder weniger. Der Wärmewiderstand liegt bei 1,4 K/W (205 × 90 × 170 mm). Beide Baureihen bieten eine Lebensdauer von bis zu 200.000 Stunden.

Die Baureihe erfüllt auch die erwarteten internationalen Normen für Kondensatoren, wie z. B. IEC 61071, und die Normen für den Schienenverkehr, wie z. B. IEC 61881-1 (Schienenfahrzeuge) und EN 45545-2 HL3 R23 (Brandschutz).