Weltweit erster Hybrid-Polymer-Aluminium-Elko in axialem Design

| Autor / Redakteur: Christoph Auer * / Gerd Kucera

Bild 1: Innerer Aufbau eines Alu-Elkos in Hybrid-Polymer-Technologie
Bild 1: Innerer Aufbau eines Alu-Elkos in Hybrid-Polymer-Technologie (Bild: TDK)

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.

Hohe Leistungsdichten kombiniert mit geringem Volumen und Gewicht sowie hoher Zuverlässigkeit sind die Anforderungen an Systeme in der Automobil-Elektronik. Dies betrifft entsprechend auch die einzelnen Bauelemente wie Aluminium-Elektrolyt-Kondensatoren – kurz Alu-Elkos. Dabei spielt die Senkung des ESR eine entscheidende Rolle. TDK will hier mit dem axialen Hybrid-Polymer-Alu-Elko neue Maßstäbe setzen.

Alu-Elkos sind aufgrund ihrer einzigartig hohen Kapazität pro Volumen unverzichtbar in den meisten Automotive-Systemen. Die Kondensatoren stabilisieren die Betriebsspannung und sichern damit das zuverlässige Funktionieren der Systeme.

TDK hat in den vergangenen Jahren spezielle Automotive-Alu-Elkos entwickelt und kontinuierlich optimiert. So entstanden Typen mit hoher Vibrationsfestigkeit von bis zu 60 g und zulässigen Betriebstemperaturen von bis zu 150 °C. 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.

Weitere Senkung des ESR-Wertes

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 Flüssigelektro-lyten kombiniert. Bild 1 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.

Der ESR des neuen Elkos ist Faktor 8,5 niedriger

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 1300 μF bei einer Nennspannung von 25 V und einen extrem geringen ESR von nur 3 mΩ. Die Abmessungen betragen dabei nur 14 mm x 25 mm (D x H) (Bild 2).

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 Kondensator- Typen liegt dieser bei 6 A. In Bild 3 zeigt beispielhaft einen Vergleich der ESR-Kennlinien eines Hybrid-Polymer-Alu-Elkos und eines konventionellen Alu-Elkos.

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* Dr. Christoph Auer ist Head of R&D Aluminum Electrolytic Capacitors Aluminum & Film Capacitors Business Group, TDK.

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