Keramik-Vielschicht-Kondensatoren

MLCC-Technologie erobert Elektrofahrzeuge und die Formel 1

03.09.2010 | Autor / Redakteur: Shoji Tsubota* / Thomas Kuther

Die keramischen Vielschicht-Kondensatoren der EVC-Serie eignen sich für den Einsatz in automobilen Leistungsanwendungen

Bislang wurden in den Leistungsstufen von Elektro- und Hybridautos nur Aluminium-Elektrolyt- oder Folien-Kondensatoren eingesetzt – sind in diesen Anwendungen doch relativ hochkapazitive Kondensatoren gefordert, die hoher Welligkeit und rauen Umgebungsbedingungen trotzen. Keramische Kondensatoren waren dafür bislang nicht geeignet. Mit einem neu entwickelten Keramikwerkstoff und verbesserter Sintertechnik ist es nun Murata gelungen, Keramik-Vielschicht-Kondensatoren herzustellen, die sich auch für automobile Leistungsanwendungen eignen.

Bis vor kurzem mussten die Leistungsschaltungen, beispielsweise in Fahrzeugen mit Elektro oder Hybridantrieb, mit Folien- oder Aluminium-Elektrolyt-Kondensatoren bestückt werden. Anwendungen dieser Art erfordern Glättungs-Kondensatoren mit einigen zehn oder tausend Mikrofarad. Die Kondensatoren müssen außerdem die hohen Welligkeitsströme und widrigen Umgebungsbedingungen verkraften, die typisch für Automotive-Applikationen im oberen Bereich des Performance-Spektrums sind. Die Herstellung von Keramik-Vielschicht-Kondensatoren, kurz MLCCs (Multi-Layer Ceramic Capacitors), in einer für Hochspannungs-Anwendungen ausreichenden Größe war schlicht nicht möglich. Zudem konnten MLCCs nicht mit der für Hochstrom-Applikationen erforderlichen Beständigkeit gegen Welligkeitsströme aufwarten.

Auf der Suche nach einem verlustarmen Werkstoff

Die Wissenschaftler bei Murata waren jedoch überzeugt, dass sie einen MLCC von noch nie gesehener Größe herstellen konnten, der es in Leistungselektronik-Anwendungen mit Folien-Kondensatoren und Aluminium-Elektrolyt-Kondensatoren aufnehmen kann. Man entwickelte für dieses Vorhaben ein verlustarmes Material, mit dem sich Eigenschaften realisieren lassen, die mit keiner anderen MLCC-Bauart möglich sind. Herausgekommen sind dabei die größten Kondensatoren, die Murata je produziert hat – mit einem um den Faktor 50 größeren Footprint als irgendein anderer Kondensator im Portfolio des Unternehmens: die EVC-Serie.

Spezielle Anschlusskonstruktion verhindert Risse in der Keramik

Bild 1: Aufbau und Außenansicht der EVC-Serie von Murata
Bild 1: Aufbau und Außenansicht der EVC-Serie von Murata

Die EVC-Serie besteht hauptsächlich aus dem verlustarmen Keramikmaterial von Murata (Bild 1). Der Keramikwerkstoff ist von einem Netz aus Innenelektroden durchzogen, die aus Nickel bestehen und mit einer kupfernen Außenelektrode verbunden sind. Letztere ist ihrerseits mit Metall-Anschlüssen verbunden, die mit bleifreiem Material gebondet sind. Die Anschlüsse des Kondensators mussten so konstruiert werden, dass es zu keinen Rissen in der Keramik kommt, wenn die Leiterplatte, auf der sich der Kondensator befindet, mechanischen Belastungen ausgesetzt wird.

MLCCs nehmen es mit Folien-Kondensatoren auf

Bild 2: Nennspannungs/Kapazitäts-Diagramm für verschiedene Kondensatorbauarten
Bild 2: Nennspannungs/Kapazitäts-Diagramm für verschiedene Kondensatorbauarten

Im Nennspannungs-Kapazitäts-Diagramm (Bild 2) fällt die EVC-Serie nicht in den für MLCCs üblichen Bereich, sondern in eine Zone, die in der Regel nur von Folien-Kondensatoren belegt wird. In dieser Hinsicht sind die Kondensatoren der EVC-Serie eine völlig neue Kategorie von MLCCs. Das speziell entwickelte, verlustarme und kapazitätsstarke Material toleriert einen spezifischen Welligkeitsstrom von 1,56 A/cm3. Die Serie liegt damit um eine Größenordnung über den Folien-Kondensatoren und übertrifft die Alu-Elkos sogar um zwei Größenordnungen (Bild 3).

Bild 3: Welligkeitsstrom pro Volumeneinheit bei verschiedenen Kondensatorbauarten
Bild 3: Welligkeitsstrom pro Volumeneinheit bei verschiedenen Kondensatorbauarten

EVC-Kondensatoren können den Kühlaufwand im System mindern

Wegen der Verträglichkeit eines deutlich höheren Welligkeitsstroms können Designer bisherige Folien- oder Aluminium-Elektrolyt-Kondensatoren durch MLCCs niedrigerer Kapazität ersetzen, die dank ihrer geringeren Wärmeentwicklung näher an anderen Bauteilen montiert werden können. In einigen Applikationen kann die EVC-Serie von Murata dazu beitragen, den Kühlaufwand eines Systems zu reduzieren, sodass unter Umständen die Kühlung einfacher ausgelegt werden kann.

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