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Optimierte Folienkondensatoren für Widebandgap-Halbleiter

Autor / Redakteur: Lucia Cabo, Fernando Rodríguez * / Gerd Kucera

WBG-Leistungshalbleiter stellen hohe Ansprüche an beispielsweise Zwischenkreis-Kondensatoren. TDK entwickelte Kondensatoren, um die Vorteile der SiC- und GaN-Halbleiter bestmöglich nutzen zu können.

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Bild 1: Speziell auf die Anforderungen von Widebandgap-Halbleitern zugeschnitten sind diese HF-Leistungskondensatoren.
Bild 1: Speziell auf die Anforderungen von Widebandgap-Halbleitern zugeschnitten sind diese HF-Leistungskondensatoren.
(Bild: TDK Electronics)

Konventionelle Kondensatoren limitieren die Vorteile von Widebandgap-Halbleitern etwa aufgrund des hohen ESR und ihres Temperaturverhaltens. Die hier vorgestellten Kondensatoren nutzen deshalb u.a. ein neu entwickeltes Dielektrikum.

Leistungshalbleiter mit großer Bandlücke, wie SiC und GaN, bieten für getaktete Applikation in leistungselektronischen Systemen, beispielsweise Stromversorgungen und Umrichtern, den großen Vorteil, dass sie mit Schaltfrequenzen im dreistelligen kHz-Bereich betrieben werden können. Gleichzeitig weisen sie steile Schaltflanken auf, wodurch eine höhere Energieeffizienz erzielt wird.

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Wegen der hohen Schaltfrequenzen werden zunehmend Folien-Kondensatoren als Zwischenkreis-Kondensatoren eingesetzt. Um die Leitungslängen und damit die parasitären Induktivitäten möglichst klein zu halten, sind die Kondensatoren über Busbars sehr eng an die WBG-Module angebunden. Das Problem dabei: Widebandgap-Halbleiter werden mit hohen Sperrschicht-Temperaturen betrieben (beispielsweise 150 °C und mehr), die über die Busbars auch die Zwischenkreis-Kondensatoren erwärmen. Das Temperatur-Limit konventioneller Folien-Kondensatoren mit einem Dielektrikum aus biaxial orientiertem Polypropylen (BOPP) liegt bei nur 105 °C.

Neues Dielektrikum ermöglicht Hochtemperatur-Anwendungen

TDK hat ein Dielektrikum entwickelt, das auch bei hohen Dauertemperaturen einsetzbar ist. Dabei handelt es sich um eine Kombination zweier Basismaterialien. Der eine Bestandteil ist semikristallines Polypropylen, das sich sehr gut zu Folien verarbeiten lässt, der andere ist amorphes cyclisches Olefin-Copolymer (COC), das eine hohe Temperaturverträglichkeit hat. Das so erzeugte Dielektrikum (COC-PP) kann mit wesentlich geringerem Derating bei Temperaturen von über 125 °C eingesetzt werden, wobei die guten Selbstheilungseigenschaften von BOPP erhalten bleiben. Außerdem lassen sich damit extrem dünne Folien mit nur 3 µm Dicke fertigen. Bild 2 zeigt das deutlich verbesserte Schrumpfungs- und Derating-Verhalten von COC-PP im Vergleich konventionellem BOPP.

Hervorragende Performance durch minimalen ESR

Wie alle Kondensatoren weisen auch Folien-Kondensatoren einen komplexen ESR auf, eine Serienschaltung aus einem ohmschen und einem kapazitiven Anteil. Entsprechend ergibt sich daraus ein frequenzabhängiger Widerstand, der mit steigenden Frequenzen stark zunimmt. Im Wesentlich sind für diesen Anstieg inhomogene Impedanzen, Skin-Effekte sowie Wicklungsgeometrien verantwortlich. Sie führen zu unerwünschten Resonanzen und elektromagnetischen Effekten. Die Folge ist eine Erwärmung des Kondensators.

Besonders negativ wirkt sich dies aus, wenn ein Kondensator intern aus mehreren Wickeln aufgebaut ist. Unterschiedliche interne Leitungslängen und andere Faktoren führen dann zu einer stark frequenzabhängigen Stromverteilung auf die einzelnen Wickel, wie Bild 3 zeigt.

Mithilfe von CAD und Simulations-Software hat TDK die HF-Leistungskondensatoren mit einem optimierten inneren Design entwickelt. Diese bieten auch bei den hohen Frequenzen und Temperaturen, mit denen WBG-Halbleiter betrieben werden, dank minimiertem ESR eine hervorragende Eigenschaften mit geringen Verlusten (Bild 4).

Die Kondensatoren der Serie B25640* sind speziell auf SiC-Halbleiter zugeschnitten. Mit Nennspannungen von 700 bis 2200 VDC und Kapazitäten von 379 bis 2300 µF eignen sie sich für die neue Generation von Umrichtern für Traktion, Industrieantriebe und erneuerbare Energien. Mit dem COC-PP-Dielektrikum können die Kondensatoren auch ohne Spannungs-Derating bei Temperaturen von bis zu 125 °C betrieben werden. Ein großer Vorteil ist der sehr niedrige ESL-Wert von 10 nH. Damit tritt selbst bei hohen, schnell geschalteten Strömen nur ein geringes Überschwingen der Spannung auf, sodass auf Snubber-Kondensatoren verzichtet werden kann.

* Dr. Lucia Cabo und Fernando Rodríguez arbeiten in der Film Technology Group der TDK Electronics.

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