Power Capacitor Chip als Leistungsspeicher für den Zwischenkreis

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Dank ihrer hohen Nennspannungen sind PCC anderen Zwischenkreis-Kondensatortechnologien überlegen. Serienschaltungen mit entsprechenden Symmetrierwiderständen sind nicht erforderlich. Aufgrund der niedrigen ESL-Werte kommt es auch nicht zu Spannungsspitzen bei steilen Schaltflanken, wodurch die Schutzbeschaltungen der Leistungshalbleiter entsprechend minimiert werden können.

Neben Umrichtern für die Automobil-Elektronik eignen sich PCC-Konzepte auch für Solar-Wechselrichter und Umrichter, die sehr kompakt gebaut werden müssen. Ein weiterer Vorteil ist die extrem hohe Zuverlässigkeit dank der Selbstheilung sowie die hohe Lebensdauer.

Einen weiteren Vorteil bietet diese Technologie mit ihrer Anpassungsfähigkeit. Die Abmessungen lassen sich in sehr weiten Bereichen variieren und somit optimal am Design des Umrichters ausrichten. Ebenso lassen sich die elektrischen und mechanischen Anschlüsse (Bus-Bars) sehr gut an die Erfordernisse des Systems adaptieren. Dadurch sind die Power Capacitor Chips direkt auf die IGBT-Module montierbar. Dies verringert zum einen die Montagekosten erheblich, zum anderen sind keine separaten Platinen wie bei anderen Zwischenkreislösungen erforderlich.

Neben der kompakten Bauform und einem Füllfaktor von fast 1 sind die PCCs auch durch die Anpassung an Bus Bars charakterisiert, die exakt auf die IGBT-Module abgestimmt sind. Dadurch ergeben sich sehr geringe ESL-Werte und minimale Montagekosten.

Kurzer Anschluss, niedrige Induktivität

Speziell für Hybridantriebe ist außerdem ein Power Capacitor Chip entwickelt worden, der ringförmig in der Getriebeglocke um den Startergenerator angeordnet ist. Bei dieser Anordnung ist der PCC ringförmig ausgelegt und sitzt direkt auf dem Startergenerator.

Kurze Anschlussverbindungen und der innere Aufbau der Kondensatoren ergeben ein sehr niederinduktives Design. Abhängig vom jeweiligen Kondensator-Design werden hier Werte von nur wenigen nH erreicht. Dies ist gerade bei den steilen Schaltflanken der Umrichter wichtig, um Spannungsüberhöhungen zu vermeiden. Somit kann in der Regel auf eine zusätzliche Schutzbeschaltung der IGBT durch Snubber-Kondensatoren verzichtet werden.

Von Bedeutung ist auch die hohe Spitzenstrombelastbarkeit der Kondensatoren. Gerade bei Start-Stop-Zyklen, wie sie im Stadtverkehr auftreten, können Spitzenströme erzielt werden, die ein Mehrfaches des Nennstroms betragen. Diese Ströme muss ein Zwischenkreiskondensator in jedem Fall über die gesamte Lebensdauer bereitstellen können, ohne Schaden zu nehmen.

Das Diagramm zeigt einen typischen Fahrzyklus von 1800 Sekunden. Der für die Lebensdauer entscheidende Durchschnittstrom beträgt hierbei etwas mehr als 100 A. Die kurzfristigen Spitzenströme liegen bei rund 325 A. Sie werden von der neuen PCC-Generationen verkraftet, ohne dass die Kondensatoren Schaden nehmen.

Mit rund 15.000 Stunden Lebensdauererwartung und einer oberen Dauerbetriebstemperatur von 110 °C (kurzfristig bis 125 °C) eignet sich die PCC-Technologie insbesondere für die Automobil-Elektronik. Auch bei der Sicherheit und Zuverlässigkeit hat dieses Konzept ein Plus: Die Kondensatoren sind selbstheilend, das heißt, Durchschläge der Folie bei Überlastung führen nicht zu Kurzschlüssen oder Zerstörung des Kondensators. Die Tatsache, dass die Kondensatoren nicht mit säurehaltigen oder brennbaren Flüssigkeiten gefüllt sind, ist vor allem bei möglichen Unfällen entscheidend. All diese Faktoren machen den PCC zu einer fortschrittlichen und optimalen Zwischenkreislösung für Inverter in der Elektromobilität sowie für kompakte Umrichter in der Industrie-Elektronik. //KU

* * Christoph Jehle ... ist Manager Technology & Product Communications bei EPCOS, München.

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Leistungskondensator

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Kurzer Anschluss, niedrige Induktivität