Leistungskondensator Power Capacitor Chip als Leistungsspeicher für den Zwischenkreis

Der hier skizzierte Leistungskondensator-Chip (PCC) wurde zum Einsatz etwa als kompakter Zwischenkreiskondensator für Umrichter entwickelt; für Elektroantriebe gibt es je eine Variante bis 20 und 90 kW.

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Gemeinsam mit Infineon Technologies hat EPCOS zwei neue Referenzdesigns für Inverter von Hybrid- und Elektrofahrzeugen entwickelt. Als Zwischenkreiskondensatoren werden dabei Platz sparende PCC-Lösungen genutzt.

Für hybride und vollelektrische Antriebe in der Automobil-Elektronik bietet Infineon Technologies zwei Referenzdesigns für IGBT-Inverter: die Mild-Hybrid-Lösung HybridPACK1 und HybridPACK2 für reine Elektroantriebe, aber auch Full-Hybrid-Lösungen.

Die Mild-Hybrid-Lösung HybridPACK1 mit einer Leistung von bis zu 20 kW wird zur Unterstützung des Verbrennungsmotors eingesetzt. Dabei findet in der Regel ein kombinierter Starter-Generator Anwendung, der zwischen Motor und Getriebe verbaut und direkt mit der Kurbelwelle verbunden ist. Er unterstützt den Verbrennungsmotor und erhöht besonders beim Beschleunigen das Drehmoment. Manche Konzepte ermöglichen auch für kurze Strecken einen ausschließlichen Elektroantrieb. Für große Leistungen und damit auch einen reinen Elektroantrieb wurde das HybridPACK2 entwickelt. Es bietet eine Leistung von bis zu 90 kW.

Mit dem HybridPACK-Evaluation-Kit von Infineon Technologies lassen sich EV-Antriebe mit bis zu 90 kW entwickeln. Es enthält neben dem Controller und der Software auch den PCC-Zwischenkreiskondensator von EPCOS.

Für beide Konzepte stellt Infineon Evaluation-Kits einschließlich Controller, Software und den Zwischenkreiskondensatoren zur Verfügung. Bei diesen Kondensatoren setzten die Entwickler des Halbleiterherstellers auf die bewährte PCC-Technologie (Power Capacitor Chip) von EPCOS. Die Tabelle zeigt die wichtigsten Daten der PCCs.

Vorteilhafte Schichtwickel- Technologie der PCC

Bereits seit mehreren Jahren entwickelt EPCOS erfolgreich Power Capacitor Chip, vor allem für den Einsatz in der Hybrid-Technik oder als kompakte Zwischenkreiskondensatoren für Umrichter. Einer der besonderen Vorteile dieser Technologie ist die dadurch ermöglichte kompakte Bauweise der Kondensatoren. Bei konventionellen Wickeltechnologien entstehen Rundwickel oder abgeflachte Rundwickel. Nicht so beim PCC: Hier kommt eine so genannte Schichtwickeltechnologie zum Einsatz. Dabei erzeugen Polygonrad-Wickelmaschinen einen völlig ebenen, quaderförmigen und faltenfreien Kondensatorwickel, wodurch der Füllfaktor des realisierten aktiven Kondensators praktisch 1 ist.

PCC als ideales Zwischenkreiskonzept

Für Umrichter kleiner bis mittlerer Leistung basiert das PCC-Konzept auf der MPM-Wickeltechnologie (Metalized Polymer Multilayer), das heißt, auf einem Schichtwickel im Leistungskondensatorformat mit ebenen Begrenzungsflächen. Alle Vorteile der bewährten MKK-Technologie (Metallisierter Kunststoff-Kondensator), wie kompaktes und trockenes Design, kommen hier zum Tragen. Es werden sowohl strukturierte als auch unstrukturierte metallisierte Polymerfolien mit Randverstärkung eingesetzt. Eine Wellen-Glattschnittkombination maximiert die effektive Kontaktfläche durch den präzise und mit kleinem Versatz gewickelten MPM-Wickel. Der Einschnürungseffekt an den Folienkanten bei Vollkunststoffwickeln wird vermieden und eine hohe Stromtragfähigkeit erreicht. Die Nennspannung der PCC reicht bis zu 1000 VDC für industrielle Anwendungen. Abhängig von den Systemanforderungen liegt die Nennkapazität zwischen 50 und 4000 µF.

Die Kondensatoren sind hinsichtlich der Abmessungen sehr flexibel, wodurch der Umrichterentwickler viel mehr Freiheiten hat. Es werden nackte und gehäuste Varianten gefertigt: nackt für die Integration im Umrichtergehäuse; umhaust mit einem harzgefüllten Kunststoff- oder Metallgehäuse für Standardapplikationen bzw. nach Kundenspezifikation. Auch Varianten mit integrierter Bandleitung (zum Beispiel mit speziellen Befestigungsbohrungen) sind verfügbar, um PCC für alle Designforderungen anzubieten. Die Verbindung des PCC zum IGBT sollte durch einen Bus-Bar realisiert werden. Das Kondensatordesign kann dabei eine Vielzahl von verschiedenen elektrischen Verbindungselementen erhalten, um die bestmögliche Lösung für jede Anwendung sicherzustellen.

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