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Leistungskondensatoren

Kompakte und flexible Motorinverter für die Elektromobilität

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Wassergekühltes IGBT-Modul mit kleiner Chip-Fläche

Scienlab erfüllt diese Anforderungen durch den Einsatz eines wassergekühlten IGBT-Moduls mit kleiner Chip-Fläche. Auch die Konfiguration der Controller- und Treiber-Platine wurde auf geringen Flächenbedarf optimiert. Besondere Aufmerksamkeit hat Scienlab dem Volumen und der Leistung des Zwischenkreises als einer der größten Baugruppen des Umrichters gewidmet.

CeraLink-Kondenstoren mit hoher Kapazitätsdichte

Scienlab hat sich für CeraLink-Kondensatoren für den Zwischenkreis entschieden, die sich durch eine sehr hohe Kapazitätsdichte von bis zu 5,5 µF/cm3 auszeichnen (Bild 2). „Im Vergleich mit anderen Kondensatortechnologien bietet CeraLink die beste Kombination aus Kapazitätsdichte und Wechselstrombelastbarkeit“, erklärt Dr.-Ing. Christoph Dörlemann, Managing Director bei Scienlab.

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Das Kapazitätsmaximum liegt bei der Nennspannung

Damit sind kompakte Gehäuseabmessungen möglich, ohne bei der Leistung im Zwischenkreis Kompromisse eingehen zu müssen. „Und so hebt sich unser Motorinverter von anderen Designs ab“, ergänzt Dörlemann. Insgesamt werden im Umrichter 36 CeraLink-Kondensatoren mit einer Kapazität von jeweils 5 µF verwendet; sie ergeben parallel geschaltet eine Gesamtkapazität von 180 µF. Cera-Link-Kondensatoren basieren auf PLZT-Keramik (Lead Lanthanum Zirconate Titanate).

Im Gegensatz zu konventionellen Keramik-Kondensatoren liegt beim CeraLink das Kapazitätsmaximum bei der Nennspannung und steigt sogar mit zunehmendem Anteil der Ripple-Spannung an. Dank der kompakten CeraLink-Kondensatoren war es möglich, das Volumen des DC-Links im Vergleich zu konventionellen Kondensator-Technologien um den Faktor drei bis vier zu verringern.

Die Kondensatoren sind für eine Betriebstemperatur von –40 bis 125 °C ausgelegt und können kurzzeitig auch mit 150 °C beaufschlagt werden. Der Einsatz mehrerer einzelner Kondensatoren erlaubt nicht nur eine größere Flexibilität in der Anordnung der Bauelemente, sondern vergrößert auch die Oberfläche der Kondensatoren, wodurch die Wärmeableitung verbessert wird. Damit ist es möglich, selbst bei hohen Umgebungstemperaturen passive Kühlverfahren für die Kondensatoren zu nutzen.

ESR und ESL im Zwischenkreis sind extrem niedrig

Ein weiteres Designziel von Scienlab bestand darin, ESR und ESL im Zwischenkreis so gering wie möglich zu halten. Dazu Dörlemann: „Dank des extrem niedrigen ESL-Wertes von nur 2,5 nH der CeraLink-Kondensatoren konnten wir Spannungsüberhöhungen und hochfrequente Schwingungen beim Schalten der IGBT-Module drastisch verringern und so die Systemleistung des Umrichters wesentlich erhöhen.“ Zudem nutzt Scienlab eine speziell entwickelte Multilayer-Platine, um die Kondensatoren mit sehr niedriger Impedanz parallel zu schalten. Der ESR-Wert beträgt bei 1 MHz nur 3 mΩ. Dadurch wird die Verlustleistung und damit die Erwärmung im Zwischenkreis wesentlich reduziert. Der ESR-Wert sinkt sogar mit steigender Frequenz und Temperatur, so dass bei hohen Temperaturen bis 150 °C und bei hohen Schaltfrequenzen ein sehr effizienter Betrieb gewährleistet ist.

Dieser Beitrag entstand nach Unterlagen der TDK Corporation.

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