Passive Bauelemente – mehr Effizienz dank neuer Materialien und Designs

| Autor / Redakteur: Christoph Jehle * / Thomas Kuther

Bild 1: Durch die gleichmäßige Verteilung der Luftspalte (rechts) kann die Verlustleistung (rote Bereiche) im Vergleich zur konventionellen Lösung mit nur einem Luftspalt (links) deutlich reduziert werden. Lösungen mit drei Luftspalten bieten das beste Preis-/Leistungsverhältnis beim Einsatz in Applikationen mit hohen Frequenzen.
Bild 1: Durch die gleichmäßige Verteilung der Luftspalte (rechts) kann die Verlustleistung (rote Bereiche) im Vergleich zur konventionellen Lösung mit nur einem Luftspalt (links) deutlich reduziert werden. Lösungen mit drei Luftspalten bieten das beste Preis-/Leistungsverhältnis beim Einsatz in Applikationen mit hohen Frequenzen. (Bild: TDK Corporation)

Die Effizienzsteigerung ist neben der Miniaturisierung mit das wichtigste Entwicklungsziel beim Design von Stromversorgungen. Jedes Zehntel Prozent zählt. Neben den Leistungshalbleitern sind es Ferritkerne und Kondensatoren, die für den Wirkungsgrad entscheidend sind. TDK hat daher ein neues Ferritmaterial, verbesserte Geometrien sowie neue Designs für Kondensatoren entwickelt.

Alle Arten von Stromversorgungen benötigen Ferrite, die wiederum in den unterschiedlichsten Kernbauformen die Basis von Induktivitäten zur Energiespeicherung und von Transformatoren zur Leistungsübertragung und galvanischen Trennung sind. Zwar werden heute bereits Wirkungsgrade über der 98-Prozent-Marke erzielt, Entwickler kämpfen jedoch um jedes Zehntel Prozent, um besonders bei leistungsstarken Stromversorgungen die Effizienz bei gleichzeitiger Miniaturisierung und damit Gewichtsersparnis weiter zu steigern.

Neue Wide-Band-Gap-Halbleiter wie GaN und SiC ermöglichen weitere Fortschritte, denn sie können höhere Frequenzen mit steileren Flanken bei geringeren Verlusten schalten. Damit ist es prinzipiell möglich, deutlich kleinere Induktivitäten und Übertrager einzusetzen, beziehungsweise bei gleicher Baugröße höhere Leistung zu übertragen. Der Nachteil dabei: Bisherige Leistungs-Ferritmaterialien sind für Frequenzen im MHz-Bereich nicht ausgelegt und zeigen hier höhere Verluste als bei niedrigen Frequenzen.

Verteilte Luftspalte senken die Kupfer-Zusatzverluste

Das Einschleifen von einzelnen Luftspalten in Ferritkernen ist gängiger Stand der Technik, um die Kernsättigung zu verzögern und damit die Leistungsfähigkeit zu erhöhen. Diese einzelnen, relativ großen Luftspalte führen allerdings zu einem höheren magnetischen Streufeld, was besonders bei hohen Frequenzen zu zusätzlichen Kupferverlusten führt. TDK bietet mit neuen Geometrien und der Kernfertigungstechnik der verteilten Luftspalte als erster Ferritkernhersteller eine elegante Lösung, um das magnetische Streufeld zu verringern und damit die Erwärmung zu reduzieren (Bild 1). Durch die Anordnung der Luftspalte im Mittelbutzen wird die Magnetfeld-Emission in die Umgebung wirkungsvoll verhindert.

Verfügbar sind Kernbauformen mit verteilten Luftspalten in den Bauformen E, EQ, ER, ETD, PM und PQ in jeweils unterschiedlichen Baugrößen sowie allen EPCOS Leistungsmaterialien.

Lösungen mit drei Luftspalten (Bild 2) bieten das beste Preis-/Leistungsverhältnis für Anwendungen bei denen die 2- bis 3-fache Schaltfrequenz im Vergleich zur ursprünglichen Frequenz zum Einsatz kommt. Dabei lassen sich die Verluste um bis zu 70% reduzieren. Neben den Standardlösungen kann auch eine kundenspezifische Anzahl von Luftspalten realisiert werden.

Neues Material PC200 bietet hohe Effizienz bei bis zu 4 MHz

Um die Vorteile der neuen Halbleiter tatsächlich nutzen zu können, hat TDK das neue Ferritmaterial PC200 auf MnZn-Basis entwickelt, das für den Frequenzbereich von 0,7 bis 4 MHz ausgelegt ist. Das Maximum der übertragbaren Leistung wird bei einer Schaltfrequenz von 1,8 bis 2 MHz und 100 °C Betriebstemperatur erreicht. Die Curie-Temperatur liegt bei über 250 °C. Das Ferritmaterial PC200 eignet sich besonders gut für Übertrager, die auf Ringkern-oder Planarkern-Topologien basieren. Bild 3 zeigt einen Performance-Vergleich von PC200 mit konventionellen Materialien.

Axiale Hybrid-Polymer-Alu- Elkos mit extrem niedrigem ESR

Alu-Elkos sind dank ihrer einzigartig hohen Kapazität pro Volumen unverzichtbar in den meisten Stromversorgungen und Automotive-Systemen. Die Kondensatoren stabilisieren die Betriebsspannung und sichern damit das zuverlässige Funktionieren der Systeme. Ein entscheidendes Leistungsmerkmal von Alu-Elkos ist der ESR (Equivalent Series Resistance), denn proportional zum ESR entsteht bei Beaufschlagung mit Wechselstrom, dem so genannten Ripple, eine Verlustleistung, die das Bauelement nach der Leistungsformel PV = ESR x I2AC aufheizt. Somit ist es der ESR in Kombination mit dem thermischen Widerstand, der die Stromtragfähigkeit des Alu-Elkos maßgeblich begrenzt. Auch hier ist es in der Vergangenheit gelungen, durch entsprechende Designs wie der Multi-Tab-Anbindung der Folien, den ESR zu verringern und so die Stromtragfähigkeit der Kondensatoren zu steigern.

Eine weitere, deutliche Verringerung des ESR ist jedoch mit der konventionellen Technologie von Alu-Elkos nicht mehr realisierbar. Der Grund ist die geringe Leitfähigkeit des flüssigen Elektrolyten, der die leitende Verbindung zwischen Kathodenfolie und Oxidschicht, dem Dielektrikum, an der Anode herstellt. Die Leitfähigkeit dieser Elektrolyte, auch als Ionenleiter bezeichnet, liegt bei nur etwa 0,01 S/cm. Zum Vergleich: Die Leitfähigkeit von reinem Metall wie zum Beispiel Kupfer liegt bei 58 x 104 S/cm.

Hybrid-Polymer-Technologie senkt den ESR deutlich

Um den ESR spürbar weiter zu senken, nutzt TDK die Hybrid-Polymer-Technologie, die ein hochleitfähiges Polymer mit einer Leitfähigkeit von rund 1000 S/cm mit einem Flüssigelektrolyten kombiniert. Bild 4 zeigt den Aufbau eines Alu-Elkos in dieser Technologie.

Neben der Senkung des ESR bietet die Hybrid-Technologie im Gegensatz zur Verwendung von ausschließlich Polymeren noch einen weiteren Vorteil: Die Selbstheilungsfähigkeit, also die Re-Oxidation von Defekten der isolierenden Oxidschicht des Alu-Elkos bleibt erhalten. Dies steigert die Spannungsfestigkeit, Temperaturbeständigkeit und Lebensdauer eines Hybrid-Polymer-Alu-Elkos im Vergleich zu einem reinen Polymer-Alu-Elko.

Nach heutigem Stand der Technik ermöglicht die Hybrid-Polymer-Technologie – abhängig von Temperatur und Nennspannung – eine um den Faktor 2 bis 5 gesteigerte Ripple-Stromtragfähigkeit. Derzeit auf dem Markt verfügbare Kondensatoren weisen jedoch relativ kleine Kapazitätswerte und Nennspannungen auf. Typische Werte sind: 270 µF bei einer Nennspannung von 35 V mit Abmessungen von 10 mm x 10 mm (D x H) in SMD-Ausführung. Hierbei werden ESR-Werte im Bereich zwischen 10 mΩ und 15 mΩ erreicht.

Höhere Kapazitätswerte und Leistungsdichten

TDK hat die gängige Technologie von Hybrid-Polymer-Alu-Elkos deutlich weiter verbessert, um bei geringeren ESR-Werten höhere Kapazitäts- und Leistungsdichten zu realisieren. Die patentierten Neuentwicklungen umfassen dabei:

  • Material: Struktur und Zusammensetzung des Fest-Flüssig-Elektrolytsystems,
  • Prozess: Möglichkeit des Einbringens des Polymermaterials auch in große Wickel,
  • Design: Sehr geringer Metall-ESR durch Multi-Tab-Anbindung, um Vorteile der hohen Polymerleitfähigkeit auch in großen Bauformen in Kombination mit sehr geringem ESL (Equivalent Series Inductance) auszunutzen.

Erster Hybrid-Polymer-Alu-Elko in axialem Design

Auf dieser Grundlage ist es TDK gelungen, den weltweit ersten Hybrid-Polymer-Alu-Elko in axialem Design zu realisieren. Er bietet erstmals eine Kapazität von 1100 µF bei einer Nennspannung von 25 V und einen extrem geringen ESR von nur 3 mΩ. (Bild 5).

Im Vergleich zu konventionellen Alu-Elkos konnte dabei der ESR um den Faktor 8,5 gesenkt werden. Damit kann der neue Kondensator einen extrem hohen Ripplestrom von bis zu 16 A bei 10 kHz und 125 °C Gehäusetemperatur tragen. Zum Vergleich: Bei konventionellen Typen liegt dieser bei 6 A. In Bild 6 zeigt beispielhaft einen Vergleich der ESR-Kennlinien von Hybrid-Polymer-Alu-Elkos und konventionellen Alu-Elkos.

Weniger Bauelemente, geringerer Platzbedarf

Damit bietet der neue axiale Hybrid-Polymer-Alu-Elko eine sehr hohe Leistungsdichte, die zu einer deutlich geringeren Anzahl nötiger Bauelemente und somit zu einer merklichen Platzeinsparung führt. Um die geforderte hohe Strombelastbarkeit zu erzielen, müssen bislang gerade bei Automotive-Anwendungen oft mehrere konventionelle Alu-Elkos, die bezüglich ihrer Kapazität überdimensioniert sind, oder niederkapazitive Hybrid-Polymer-SMD-Elkos parallel geschaltet werden. Durch die Verwendung nur eines einzigen Bauelements ergibt sich zudem eine höhere Betriebssicherheit und Zuverlässigkeit, da weniger Lötstellen erforderlich sind.

Ein typisches Einsatzgebiet der neuen Hybrid-Polymer-Kondensatoren mit Nennspannungen von 25, 35 und 63 V sind die Zwischenkreise von Invertern für 48-V-Bordsysteme, die für Hybrid-Antriebe von Fahrzeugen zunehmend an Bedeutung gewinnen. Verfügbar sind die neuen Kondensatoren in der zweiten Jahreshälfte 2018.

* Christoph Jehle ist Manager Produkt-Kommunikation bei der TDK Corporation in München.

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