Leistungskondensatoren Eine alternative Technologie für den Zwischenkreis

Autor / Redakteur: Wolfgang Dreipelcher * / David Franz

Zum Stabilisieren und Befiltern von DC-Zwischenkreisen in Umrichtern mit schnellen IGBT-Modulen nutzen CeraLink-Kondenstoren die Vorteile eines Keramikkondensators ohne dessen ungünstige Eigenschaften.

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Bild 1: CeraLink-Kondensatoren basieren auf PLZT-Keramik (Lead Lanthanum Zirconate Titanate) und decken z.B. bei einer Nennspannung von 400 VDC ein Kapazitätsspektrum von 1 bis 100 µF ab.
Bild 1: CeraLink-Kondensatoren basieren auf PLZT-Keramik (Lead Lanthanum Zirconate Titanate) und decken z.B. bei einer Nennspannung von 400 VDC ein Kapazitätsspektrum von 1 bis 100 µF ab.
(Bild: EPCOS)

Leistungshalbleiterschalter in Stromversorgungen und Umrichtern werden von zwei Technologien bestimmt: MOSFETs und IGBTs. MOSFETs können mit relativ hohen Schaltfrequenzen deutlich oberhalb von 30 kHz betrieben werden, weisen aber im Gegensatz zu IGBTs sehr große Chipflächen auf.

Eine neuere Generation von IGBT-Modulen von Infineon Technologies arbeitet mit Taktfrequenzen von bis zu 100 kHz. Leitungsgebundene Verluste bzw. Ausschaltverluste halten sich bei beiden Systemen die Waage. Schnelle IGBTs mit ihrer deutlich geringeren Fertigungskomplexität und vielfach kleineren Chipflächen als Superjunction-MOSFETs ermöglichen eine IGBT3-Technologie mit hohen Schaltfrequenzen zu einem ausgezeichneten Preis-Leistungs-Verhältnis.

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Schnell schaltende Systeme erfordern eine Schaltungsauslegung mit niedrigsten ESR- und ESL-Werten. Dementsprechend müssen auch die passiven Bauelemente – neben den Induktivitäten insbesondere die Kondensatoren – mit hohen Taktraten Schritt halten können. Höhere Schaltfrequenzen gestatten es, kleinere und leichtere passive Bauelemente zu verwenden, was geringere Verluste verursacht und die Effizienz steigert.

Im Fokus stehen dabei die Kondensatoren. Sie müssen eine hohe Schaltfrequenz mit niedrigen ESL- und ESR-Werten sowie einen extrem kompakten Aufbau in einem Design kombinieren. Mit konventionellen Kondensatortechnologien ist dies nur bedingt möglich. Der CeraLink-Kondensator von EPCOS ist dafür ein ganz anderer Lösungsansatz: Bei dem Bauelement handelt es sich um einen keramischen Vielschicht-Rippelstrombegrenzer, der auch als Zwischenkreiskondensator oder DC-Link (DCL) bezeichnet wird; zudem erfüllt er Snubber-Aufgaben.

CeraLink für schnell schaltende Umrichter

Entwickelt wurde CeraLink im Kompetenzzentrum für keramische Bauelemente in Deutschlandsberg, Österreich. Das dort verfügbare Knowhow aus jahrelanger Erfahrung, unter anderem bei der Großserienfertigung von Piezo-Aktoren, bildete die Basis für dieses Bauelement. CeraLink bietet die Vorteile eines keramischen Kondensators ohne dessen ungünstige Eigenschaften. Das patentierte System aus Antiferroelectric-Multilayer-Ceramic-Material mit speziellen Kupfer-Innenelektroden erlaubt es, sowohl die Standard-IGBTs als auch die neuen, schnell schaltenden Typen mit wesentlich höheren Frequenzen noch ökonomischer zu nutzen. Dies gilt selbstredend auch für Schaltungen mit entsprechenden Superjunction-MOSFETs.

Der CeraLink-Kondensator kombiniert eine hohe Kapazität pro Volumen mit niedrigstem ESL und ESR. Daraus resultiert eine deutliche Verbesserung hinsichtlich Effizienz, Zuverlässigkeit und Platzbedarf in zukünftigen IGBT- und MOSFET-Inverter-Designs. Von Vorteil sind darüber hinaus auch die LP- und SMD-Varianten des CeraLink als Snubberlösung für die Integration in Halbleiter-Leistungsmodulen.

In enger Zusammenarbeit mit Infineon Technologies wurden in den ersten Designs EPCOS-CeraLink-Baulemente an spezielle IGBT-Module angepasst und stetig optimiert. So konnten beste Ergebnisse in Bezug auf Eigenschaften und Energieeffizienz erreicht werden.

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Sowohl für die EASY-Automotive-Serie von Infineon Technologies als auch für die entsprechenden Typen in Industrie-Anwendungen wurden alle beeinflussbaren Parameter und Eigenschaften des Kondensators auf mehr Ökonomie und Effizienz hin optimiert (Tabelle 1). Die ersten Designs eines On-Board-Wandlers, das EASYKIT DCDC, wurden nach vorliegenden Vorgaben von OEMs für Nennspannungen von etwa 400 VDC auf der Hochvoltseite ausgelegt. Den EPCOS-CeraLink gibt es derzeit in unterschiedlichen Ausführungen. Das Kapazitätsspektrum reicht von 1 bis 100 µF bei Nennspannungen von 400 bis 800 VDC.

Die unterschiedlichen Anschlussformen zeigt Bild 2. Für die direkte Integration in Halbleiter-Leistungsmodule sind, aufgrund des beengten Bauraums, die SMD-Versionen (LP und SMD) (links in Bild 2) vorgesehen. Sie lassen sich in Löt-, Bond- oder Sinterprozessen verarbeiten.

Ein HV/LV-DC/DC-Demoboard mit 2,7 kW Leistung

In enger Zusammenarbeit mit EPCOS hat Infineon Technologies ein HV/LV-DC/DC-Demoboard mit einer Leistung von 2,7 kW entwickelt. Zu den Anforderungen zählen unter anderem ein weiter Hochvolt-Eingangsspannungsbereich von 200 bis 400 VDC (je nach verwendeter HV-Batterie) sowie ein Niedervolt-Ausgangsspannungsbereich von typisch 8 bis 16 VDC Standardspannung im Bordnetz. Ferner muss ein Strombereich von bis zu 200 A (DC) abgedeckt werden.

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Auf dem DC/DC-Wandler-Markt gibt es Schaltungstopologien unterschiedlichster Art. Einsatz findet jedoch meist die Vollbrücken-Schaltung mit Nullspannungsschaltung (ZVT) auf Basis von MOSFET-Transistoren.

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Infineon Technologies hat diese Schaltungen mit diversen EPCOS-Bauelementen neu aufgebaut und an seine schnell getakteten IGBTs der EASY-Serie angepasst (Bild 3). Eingesetzt wird eine Reihe verschiedener Bauelemente von EPCOS und TDK (Tabelle 2).

Parasitäre Induktivitäten werden allerdings nicht nur vom Kondensator erzeugt. Im normalen Systemaufbau kommt es zu merklichen Streuinduktivitätswerten durch mehrere Faktoren: Neben der Kontaktierung im Inneren des IGBT-Moduls trägt dazu auch die Zuleitung zum Kondensator bei.

Mit dem CeraLink lassen sich gleichermaßen die Werte für den Kondensator selbst und die Werte für die Zuleitung drastisch reduzieren. Durch die kompakte Anbindung an das IGBT-Modul werden gleichzeitig auch dessen Überspannungen bedämpft; und der Snubber-Kondensator kann in der Regel entfallen.

Bild 4 zeigt den Spannungsverlauf beim Abschalten des IGBTs mit und ohne CeraLink. Der Spannungsanstieg ist somit nur noch minimal und befindet sich im sicheren Bereich der IGBTs. Als Schaltfrequenz kommen hier 100 kHz zum Einsatz, die für den Kondensator eine Stromripplefrequenz von 200 kHz bedeutet. Bild 5 zeigt den Verlauf von Impedanz und ESR als Funktion der Frequenz.

Reicht die Kapazität des CeraLink für reine DC/DC-Anwendungen im Allgemeinen aus, so kann diese z.B. beim Betrieb von Motoren zu gering sein. Abhilfe schafft hier das Parallelschalten von Aluminium-Elektrolyt- bzw. Folien-Kondensatoren, die mit ihrer hohen Kapazität den niederfrequenten Anteil des Stroms führen. Der CeraLink übernimmt unterdessen den hochfrequenten Anteil einschließlich Snubber-Anteil.

* Wolfgang Dreipelcher ist Head of Sales Reference Designs bei TDK, München.

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