Snubber- und DC-Link-Kondensatoren Spannungsüberhöhungen bei Hochleistungsmodulen vermeiden

Autor / Redakteur: Wolfgang Rambow und Marco Honsberg * / Dipl.-Ing. (FH) Thomas Kuther

Hochleistungs-IGBT-Module schalten Ströme im Kiloamperebereich, wodurch unerwünschte und teils schädliche Spannungsüberschwingungen (Voltage Overshoot) durch Zwischenkreis-Streuinduktivitäten auftreten können. Als Gegenmaßnahme bietet TDK extrem niederinduktive Snubber- und DC-Link-Kondensatoren an.

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EPCOS-Snubberkondensatoren: sind in ihren mechanischen wie elektrischen Parametern auf alle SkiiP4-Module abgestimmt.
EPCOS-Snubberkondensatoren: sind in ihren mechanischen wie elektrischen Parametern auf alle SkiiP4-Module abgestimmt.
(Bild: TDK Electronics)

Der IGBT-Modul-Hersteller Semikron hat bei seiner jüngsten Weiterentwicklung, des SkiiP4 mit bodenplattenlosem DBC-Konzept (Direct Bond Copper) auf einem Hochleistungskühler, sowohl das Design als auch die Performance weiter optimiert. So wurde es möglich, dass dieses Modul SKiiP2414GB17E4-4DUHP, das aus vier IGBT-Halbbrücken besteht, nun um 25% höhere Ströme von deutlich mehr als 2400 A bei einer Spannung von bis zu 1700 V schalten kann.

Die meisten herkömmlichen DC-Link-Designs stoßen bei diesen hohen Strömen aufgrund ihrer Streuinduktivitäten schnell an ihre Grenzen. Das SkiiP4-Modul verfügt bereits über eine intelligente Anpassung der Ausschaltgeschwindigkeit bei sehr hohen Zwischenkreisspannungen, um die Halbleiter im Ausschaltmoment vor zu hoher transienter Überspannung zu schützen.

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Aber diese Schutzfunktion kann zusätzliche Verluste erzeugen und ist bei kontinuierlichem Betrieb eigentlich ein Indiz für eine zu hohe Zwischenkreisinduktivität. Daher ist eine Reduzierung der Zwischenkreisinduktivität sinnvoll, um einerseits den Spannungsstress beim Abschalten der IGBTs zu reduzieren und gleichzeitig die Ausschaltverluste der IGBTs zu reduzieren.

Niederinduktive DC-Link- Kondensatoren sind ein Muss

Speziell für neue Generationen von IGBT-Modulen hat TDK besonders niederinduktive EPCOS-DC-Link-Kondensatoren der Serien B256* entwickelt. Tabelle 1 und Bild 1 zeigen eine Übersicht dieser Typen.

Neben den sehr geringen Eigeninduktivitäten bieten diese Kondensatoren auch sehr geringe ESR-Werte, selbst im Frequenzbereich bis 100 kHz, wodurch sie besonders verlustarm sind. DC-Link-Kondensatoren werden entweder einzeln oder als Kondensatorbank an die SkiiP4-Module über Busbars angeschlossen und befinden sich im Regelfall direkt neben den Modulen, um geringe Induktivitäten durch kurze Leitungslängen zu ermöglichen. In vielen Fällen ist eine solche Montage bedingt durch den vorhandenen Bauraum jedoch nicht möglich.

Snubberkondensatoren reduzieren Überspannungen

Um trotzdem ein niederinduktives Design ohne extreme Überspannungen realisieren zu können, stellt TDK jetzt zwei zusätzliche EPCOS-Snubberkondensatoren vor, die von ihren mechanischen wie elektrischen Parametern auf alle SkiiP4-Module abgestimmt sind. Eine Besonderheit ist der Höhenversatz der Anschlusslaschen, der exakt an die entsprechende Geometrie der SkiiP4-Module angepasst wurde (Bild 2).

Bild 2: Die EPCOS-Snubberkondensatoren sind mechanisch und elektrisch auf die SkiiP4-Module von Semikron abgestimmt.
Bild 2: Die EPCOS-Snubberkondensatoren sind mechanisch und elektrisch auf die SkiiP4-Module von Semikron abgestimmt.
(Bild: TDK Electronics)

Durch die Neuentwicklung dieser Snubberkondensatoren ergab sich als zusätzlicher Vorteil, dass auch ihr spezieller innerer Aufbau optimiert werden konnte. So sind die maximalen Induktivitätswerte dadurch extrem niedrig und liegen unter 6 nH. Derzeit gibt es zwei Kapazitätswerte, die sich für die SkiiP4-Module als optimal herausgestellt haben: 330 und 470 nF mit einer Nennspannung von 1600 V.

Diese beiden Spezialkondensatoren ergänzen das Spektrum der EPCOS B32656S/58S Serie mit dem Anschlussbild T12, für das TDK eine Reihe von Folienkondensatoren bereithält, so dass diese auch in Verbindung mit anderen Busbarkonstellationen eingesetzt werden können. Montage und Einsatz in Verbindung mit dem SkiiP4-Modul gestalten sich einfach. Damit ist nun im Vergleich zu aufwendigeren DC-Link-Designs eine optimierte und kostensenkende Lösung verfügbar.

Bild 3: Vereinfachtes Schaltbild des SkiiP4-Moduls als Halbbrücke mit den EPCOS-DC-Link- und Snubberkondensatoren.
Bild 3: Vereinfachtes Schaltbild des SkiiP4-Moduls als Halbbrücke mit den EPCOS-DC-Link- und Snubberkondensatoren.
(Bild: TDK Electronics)

Wie in Bild 3 zu sehen ist, konnte durch die Anpassung der Geometrie erreicht werden, dass die Kondensatoren direkt auf die Busbar-Anschlüsse des Moduls aufgeschraubt werden können und damit auch die Streuinduktivität des Zwischenkreises entsprechend niedriger ausfällt. Die somit erreichten deutlich niedrigeren Überspannungen in Doppelpulstests (Messungen: Mankel-engineering.de) sprechen für sich und erlauben es, das SkiiP4-Modul auch mit weniger optimierbaren Zwischenkreiskonstruktionen mit deutlich höherem Ausgangsstrom zu betreiben.

Die optimierte Form des Gehäuses sowie der Anschlüsse der Snubberkondensatoren und deren unterschiedlichen Höhen ermöglichen eine geringstmögliche Einfügeinduktivität und damit eine sehr effektive Wirkung des Snubberkondensators. Durch diese Optimierung verringern sich die Luft- und Kriechstrecken der Konstruktion nicht. Gleichzeitig ermöglicht dies die optimale Nutzung des vorhandenen Bauraums. Weniger optimierte Snubberkondensatoren büßen an Kapazität ein. Besonders in kritischen Situationen ist die Aufrechterhaltung und Stabilität der Snubberkapazität entscheidend, um mögliche Schäden an den IGBT-Modulen zu verhindern. Bild 4 veranschaulicht deutlich die Wirkung der der EPCOS-Snubberkondensatoren an den SkiiP4-Modulen beim schnellen Abschalten eines Stroms von 2500 A.

Bild 4: Dank der EPCOS-Snubberkondensatoren wird die Spannungsüberhöhung beim schnellen Abschalten eines Stroms von 2500 A um mehr als 200 V reduziert.
Bild 4: Dank der EPCOS-Snubberkondensatoren wird die Spannungsüberhöhung beim schnellen Abschalten eines Stroms von 2500 A um mehr als 200 V reduziert.
(Bild: TDK Electronics)

Die EPCOS-Snubberkondensatoren sind nicht nur für neue Designs einsetzbar, sondern sie bieten auch eine attraktive Basis zu einem einfachen Retrofit-Upgrade bestehender Konverter – selbst mit nicht völlig optimierbaren DC-Link-Designs – um eine deutlich erhöhte Performance mit den neuen SkiiP4-Modulen auf High-Performance-Kühler zu realisieren. Tabelle 2 zeigt die Kenndaten der genannten Snubberkondensatoren.

Tabelle 2: Kenndaten der für SkiiP4-Module optimierten EPCOS Snubberkondensatoren.
Tabelle 2: Kenndaten der für SkiiP4-Module optimierten EPCOS Snubberkondensatoren.
(Bild: TDK Electronics)

Die beschriebenen Snubberkondensatoren sind keine Standardserienbauteile und daher nicht im Internet zu finden. Bei Interesse wenden Sie sich bitte an Ihren Vertriebspartner bei TDK Electronics.

* Wolfgang Rambow ist Senior Director Sales Technical Support, TDK Electronics, München.

* Marco Honsberg ist Senior Manager Product Management Intelligent Power Modules and Electronics, Semikron, Nürnberg.

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