Parasitäre Induktivitäten in SiC-Anwendungen minimieren

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Auf die Auswahl der Kondensatoren kommt es an

Für die folgende Demonstration wurden Polypropylen-Folienkondensatoren ausgewählt, weil sich diese Bauart durch niedrige Verluste bei hohen Frequenzen auszeichnen und SiC-Module für höhere Frequenzen geeignet sind. An das Design der Kondensatorbatterie für die Schaltung kann auf zweierlei Weise herangegangen werden. Die erste Möglichkeit besteht in der Verwendung entweder eines großen Kondensators oder zweier großer Kondensatoren in Reihenschaltung, wodurch ein Mittenabgriff entsteht. Im vorliegenden Fall kommt ein Polypropylen-Filterkondensator (140 µF/600 V) mit zwei Gewindebolzen zum Einsatz. Die zweite Variante sieht eine Parallelschaltung aus 18 metallisierten Polypropylen-Radialkondensatoren geringerer Kapazität (16 µF/700 V) vor.

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Vergleicht man die Gesamtkapazität, die Spannungsfestigkeit, die effektive Serieninduktivität (ESL) und die Bauelementekosten (siehe Tabelle), so zeigt sich, dass die Parallelschaltung verglichen mit der Lösung aus einem großen Kondensator eine höhere Kapazität und Spannungsfestigkeit, ein Drittel des ESL-Werts und ungefähr die halben Bauelementekosten aufweist. Eine Parallelschaltung aus vielen kleinen Kondensatoren ist somit gegenüber wenigen großen Kondensatoren deutlich im Vorteil.

Nach dem Konzept des parallelgeschalteten Kondensator-Arrays zur Minimierung der parasitären Induktivität wurde eine Kondensator-Leiterplatte für die dynamische Evaluierung eines Halbbrücken-SiC-Power-Moduls (1,2 kV, 100 A, 50 mm) entwickelt. Die Kondensatorbatterie musste hierfür aus lediglich 12 Polypropylen-Kondensatoren à 16 µF/700 V zusammengesetzt werden, ergänzt durch zwei weitere Kondensatoren mit 8 µF/700 V, um die sonst vergeudete PCB-Fläche zu nutzen.

Durch abwechselnde Ausrichtung benachbarter Kondensatorzweige mit dem Ziel, für einen gegenläufigen Stromfluss zu sorgen, wird erreicht, dass sich die Magnetfelder der Verbindungen zwischen jedem in Reihe geschalteten Kondensatorpaar und der LINK- bzw. +LINK-Ebene gegenseitig aufheben, wodurch sich die Streuinduktivität verringert. Wie erwähnt, lässt sich diese Layouttechnik mit einer mehrlagigen Leiterplatte problemlos realisieren.

Die Testschaltung mit dem 1,2 kV/100 A-SiC-Power-Modul lieferte wertvolle Aufschlüsse über das Design von Kondensatorbatterien mit geringer parasitärer Induktivität für den Einsatz mit SiC-Modulen:

• Wenn es um das Minimieren des ESL-Werts geht, ist eine Parallelschaltung aus mehreren kleineren Kondensatoren einer Anordnung mit wenigen großen Kondensatoren (bei gleicher Kapazität)überlegen (nur ein Drittel des ESL-Wertes gegenüber großem Kondensator).

• Ein Array aus vielen kleinen Kondensatoren ist in der Regel kostengünstiger als wenige große Kondensatoren (im vorliegenden Fall rd. 50%).

• Durch die Parallelanordnung der Leiterbahnen und die gegenseitige Aufhebung der Magnetfelder gelang eine ESL-Verringerung um den Faktor 2,5.

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