Neue Keramik-Kondensatortechnologie

Passive Bauelemente Neue Keramik-Kondensatortechnologie

19.11.2012Redakteur: Kristin Rinortner

TDK präsentiert mit dem EPCOS CeraLink eine neue Kondensatortechnologie auf Basis von PLZT-Keramik. Sie ist konzipiert für die Anforderungen moderner Inverter in der Leistungselektronik.

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Georg Kügerl, TDK: Der neue CeraLink bietet bei der Stabilisierung und Befilterung von DC-Zwischenkreisen von Leistungsumrichtern viele Vorteile – gerade im Vergleich zu konventionellen Kondensatortechnologien
(Bild: TDK)

Getrieben von den Forderungen nach immer mehr Effizienz und Kompaktheit weist die Halbleitertechnologie immer höhere Schaltfrequenzen auf, wodurch auch hohe Anforderungen an die eingesetzten Kondensatoren gestellt werden: stabiler Betrieb bei hohen Temperaturen, große Stromtragfähigkeit bei hohen Schaltfrequenzen und kein Kapazitätsabfall bei hohem DC-Bias. Die bestehenden Kondensatortechnologien wie Folien-, Aluminium-Elektrolyt- oder klassische Keramik-Vielschichtkondensatoren können den neuen Anforderungen in der Leistungselektronik kaum mehr gerecht werden.

Antiferroelektrische PLZT-Keramik mit hoher Dielektrizitätskonstante

Die Kompetenz von TDK auf dem Gebiet der elektrokeramischen Werkstoffen und in der keramischen Vielschichttechnologie waren wesentliche Erfolgsfaktoren für die Entwicklung von CeraLink. Kern der neuen Lösung ist eine antiferroelektrische PLZT-Keramik (Lead Lanthanum Zirconate Titanate), die eine extrem hohe Dielektrizitätskonstante aufweist, die mit steigender Vorspannung zunimmt. Um den ESR-Wert auf ein Minimum zu begrenzen, ist CeraLink als keramisches Vielschichtbauelement mit Kupferinnenelektroden konzipiert worden.

Bild 1: Dank des geringen ESL-Werts von weniger als 4 nH sowie eines geringen Serienwiderstands von weniger als 4 mΩ eignen sich die neuen Kondensatoren sehr gut für Applikationen mit steilen Schaltflanken und hohen Taktraten. Dazu zählen insbesondere Umrichter für die Industrie- und Automobil-Elektronik, die mit neuen, schnell schaltenden MOSFETS oder IGBTs arbeiten.
(Bild: TDK)

Im Gesamtergebnis ist CeraLink ein keramisches Bauelement mit einer außergewöhnlich hohen Kapazitätsdichte und extrem niedrigen ESR- und ESL-Werten. Darüber hinaus liegt die Höchsttemperatur für den Dauerbetrieb über 100 °C; kurzzeitig übersteht der Kondensator viel höhere Temperaturen. Außerdem ist seine Strombelastbarkeit bei Fre-quenzen über 10 kHz gut.

Breite Prototyp-Produktpalette

Die Prototyp-Produktpalette deckt ein Kapazitätsspektrum von 1 bis 100 µF bei einem Nennstrom von 400 V ab. Unter den verfügbaren Anschlussformen sind SMD-Lösungen, Lötstiftkontakte und Busbar.

Erste Referenzdesigns zeigen, dass sich mit CeraLink die Systemleistung wesentlich verbessern lässt. Beispielsweise erreicht ein schnell schaltender IGBT-DC/DC-Wandler unter Verwendung eines 20-µF-CeraLink die gleiche Leistungsfähigkeit wie eine MOSFET-Lösung unter Verwendung eines konventionellen Gleichstrom-Zwischenkreises. Außerdem wurde ein sehr kompakter Hauptantriebs-Inverter für Plug-in-Hybridfahrzeuge entworfen, in dem 100-µF-Kondensatoren mit Busbar-Anschlüssen auf den 3 Halbbrücken-IGBT-Modulen installiert wurden.

Zusätzlich zu einer verbesserten Systemleistung bei Anwendungen mit hohen Schaltfre-quenzen unterstützt CeraLink auch die Integration des Kondensators zusammen mit Halbleitern. Beispielsweise kann ein 1-µF-SMD-Kondensator gleichzeitig als Gleichstrom-Zwischenkreis und als Snubber-Kondensator dienen und in ein Halbleitermodul integriert werden. Dies führt zu einer noch stärkeren Verringerung der Induktivität und ermöglicht sehr hohe Stromwechselraten.

CeraLink bietet eine attraktive Lösung für Schaltunterstützungen in Halbleitermodulen, insbesondere im Hinblick auf die neuen SiC- bzw. GaN-Halbleitertechnologien.

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