Zwischenkreiskondensatoren Robuste DC-Link-Kondensatoren für raue Umgebungen

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Der DC-Zwischenkreis-/Link-Kondensator spielt in verschiedenen Bereichen, die sich schnell entwickeln eine wichtige Rolle, z. B. in elektrisch angetriebenen Fahrzeugen und erneuerbaren Energien,. Da Entwickler nach immer mehr Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit streben, müssen diese Kondensatoren in immer anspruchsvolleren Umgebungen arbeiten.

Ein Bericht von Precedence Research geht davon aus, dass der weltweite Markt für Elektrofahrzeuge von 2020 bis 2027 jährlich durchschnittlich um 40,7 Prozent wachsen wird (CAGR). Infolge dieses Marktanstiegs wird die Nachfrage nach leistungsstarken und robusten DC-Link-Kondensatoren, die für den Einsatz in Fahrzeugen geeignet sind, in ähnlichem Maße steigen.

Dieser Beitrag befasst sich mit der Frage, wo DC-Zwischenkreiskondensatoren üblicherweise zum Einsatz kommen, und untersucht Überlegungen bei der Auswahl des richtigen Kondensators für eine Anwendung.

DC-Link-Kondensatoren im Überblick

Zwischenkreiskondensatoren sind Teil von Leistungswandlern, insbesondere in modernen Anwendungen wie elektrisch angetriebenen Fahrzeugen, wo sie in Wechselrichtern zum Einsatz kommen, die im Antrieb und Onboard-Ladegerät (OBC) zu finden sind. Weitere Anwendungen sind Systeme für erneuerbare Energien, einschließlich Photovoltaik- und Windkraft-Wechselrichter, sowie industrielle Motorantriebe. DC-Link-Kondensatoren fungieren als Ladungsspeicher zum Glätten der bei Schaltwandlern unvermeidlich auftretenden Restwelligkeit. Zudem verbessern sie die Energiedichte und verringern das Rauschen.

Bauelemente für Leistungselektronik müssen zunehmend mit rauen Umgebungsbedingungen fertig werden. In fast allen Anwendungen ist der Platz knapp, d.h. Designs müssen kompakt sein und die Kühlung ist schwieriger, was zu höheren Temperaturen führt. Darüber hinaus ermöglichen Halbleiter mit breiter Bandlücke (SiC und GaN) den Betrieb von Leistungswandlern bei höheren Temperaturen, was den Bedarf an aktiver Kühlung verringert und den Wirkungsgrad erhöht – auch wenn die Bauelemente dadurch zusätzlichen thermischen Belastungen ausgesetzt sind.

Automotive-Anwendungen sind besonders anspruchsvoll, da neben den thermischen Herausforderungen und den extremen Platz- und Gewichtsbeschränkungen auch Langzeitvibrationen eine zusätzliche Anforderung darstellen, solange das Fahrzeug in Bewegung ist. Da die Batteriespannungen steigen, um Verluste zu verringern und die Reichweite zu erhöhen, steigt auch die Spannung am Zwischenkreiskondensator, wodurch das dielektrische Material stärker belastet wird.

Die starke und schnell wachsende Nachfrage nach Elektrofahrzeugen und im Bereich der erneuerbaren Energien erfordert Hochleistungsbauelemente, die kompakt und leicht sind und eine hohe dielektrische Kapazität in Verbindung mit einer hohen Wärmebeständigkeit für lange Betriebsprofile aufweisen. Darüber hinaus erfordern Kondensatoren, die in Umrichtern und Motorantrieben verwendet werden, eine höhere Temperaturbeständigkeit als je zuvor, was die Herausforderungen für die Entwickler in diesen anspruchsvollen Märkten weiter erhöht.

Auswahl eines DC-Link-Kondensators

In elektrisch angetriebenen Fahrzeugen sind ein oder mehrere Traktionswechselrichter erforderlich, um die Hochvolt-DC-Batteriespannung in einen dreiphasigen Antrieb für den/die elektrischen Fahrmotor(en) umzuwandeln. Der Zwischenkreiskondensator ist ein wesentlicher Bestandteil dieses Systems und gewährleistet eine gleichmäßige und stabile Gleichspannung auf dem DC-Bus.

Die Aufgabe des DC-Link-Kondensators besteht darin, die schwankende Momentanleistung auf dem DC-Bus (Zwischenkreis) auszugleichen, die durch die Schaltaktivitäten innerhalb des Batterie-Controllers (Stufe 1) und insbesondere durch die von den schnellen Leistungsschaltern innerhalb des Drehstromantriebs (Stufe 3) reflektierte Welligkeit und das Rauschen entsteht. Dazu puffert der Kondensator als Ladungsspeicher die sporadischen Starkstromanforderungen des Wechselrichters in Stufe 3.

Die folgende Formel gibt die Mindestkapazität an, die erforderlich ist, um eine bestimmte Welligkeitsspannung zu erreichen:

Mit C_min = erforderliche Mindestkapazität, I_out = Ausgangsstrom, dc = Tastgrad/Arbeitszyklus, f_SW = Schaltfrequenz, V_P(max) = Spitze-Spitze-Welligkeitsspannung.

Für den DC-Link-Kondensator kommen verschiedene Techniken wie Aluminium-Elektrolyt-, Folien- oder Keramik-Kondensatoren in Frage, wobei die (manchmal schwierige) Wahl von der Anwendung abhängt, in der er eingesetzt werden soll.

Der erste Schritt bei der Wahl eines Zwischenkreiskondensators besteht darin, die Nennspannungen und Nennkapazitätswerte potenziell geeigneter Bauelemente zu berücksichtigen, um hohe Welligkeitsstrom-Nennwerte zu gewährleisten. Alle DC-Link-Kondensatoren müssen die Spannung regulieren und die in der Stromwellenform auftretenden Welligkeiten absorbieren. Mit der Entwicklung hin zu immer schneller schaltenden MOSFETs und IGBTs wirkt sich die zunehmend schnellere Restwelligkeit auf die Leistungsfähigkeit aus, da jeder „echte“ Kondensator eine gewisse Impedanz und Eigeninduktivität besitzt. Mit zunehmender Betriebsfrequenz des Umrichters werden einige Kondensatortechniken ausgeschlossen, z. B. die Verwendung von Folienkondensatoren über 1 MHz.

Bei der Auswahl von DC-Link-Kondensatoren ist ein umfassendes Verständnis der Anwendung entscheidend. Neben der DC-Bus-Spannung und der Betriebsfrequenz müssen Entwickler auch die voraussichtliche Lebensdauer der Anwendung berücksichtigen und wissen, wie hoch der maximal mögliche Welligkeitsstrom ist und ob er stationär oder variabel ist.

Im Idealfall hat der für eine DC-Link-Anwendung ausgewählte Kondensator eine niedrige Eigeninduktivität, einen niedrigen äquivalenten Serienwiderstand (ESR) und eine hohe Welligkeitsstromtoleranz. Die Betriebsfrequenzen und die Betriebstemperatur müssen mit der Anwendung kompatibel sein. Im Allgemeinen können Folienkondensatoren einen hohen Welligkeitsstrom verkraften und bieten eine längere Lebensdauer, wobei sie wesentlich höhere Werte als Keramikkondensatoren aufweisen.

Herausforderungen meistern

Alle parametrischen Anforderungen für einen DC-Link-Kondensator zu erfüllen, ist eine Herausforderung, die den Entwicklern abverlangt, viele Kandidaten zu prüfen, bevor sie das optimale Bauelement finden.

Kemets neuer hochleistungsfähiger DC-Link-Folienkondensator für hohe Temperaturen ist eine gute Wahl für diese Anforderungen. Die Serie C4AK wurde speziell für den Dauerbetrieb in robusten Anwendungen mit erhöhten Temperaturprofilen entwickelt, wie sie im Automotive-Bereich vorkommen.

Die C4AK-Kondensatoren bieten Kapazitäten von 1,5 bis 60 µF und sind für Gleichspannungen bis 900 V ausgelegt, wodurch sie sich für eine Vielzahl von Anwendungen im EV-Antriebsstrang eignen. Selbst unter rauen Umgebungsbedingungen erreichen sie eine Lebensdauer von 4000 Stunden bei 125 °C und 1000 Stunden bei 135 °C und gewährleisten so die langfristige Zuverlässigkeit von Fahrzeugen. Die Bauelemente wurden nach dem AEC-Q200-Standard für die Automotive-Branche getestet, was Entwicklern weitere Sicherheit gibt.

Ein reales Beispiel weist einen Strom von 12 A, eine Betriebsspannung von 700 V, eine Schaltfrequenz von 10 kHz und einen erforderlichen Zwischenkreiskondensator von 20 µF auf. Das Anwendungsprofil erfordert eine Betriebstemperatur von 50 °C für zwei Drittel der Zeit und 100 °C für die restliche Zeit.

Der neue DC-Link-Kondensator C4AKOBW5200A3LJ von Kemet erfüllt dieses Anwendungsprofil problemlos, da er Strom und Spannung handhabt und eine prognostizierte Lebensdauer von 66.400 Stunden aufweist.

Für viele moderne Systeme unerlässliche DC-Link-Kondensatoren

DC-Link-Kondensatoren sind für viele moderne Systeme unerlässlich, darunter Elektrofahrzeuge, erneuerbare Energien und industrielle Anwendungen. Der Druck des Marktes zwingt Entwickler zu immer kompakteren Lösungen, die hochleistungsfähige Bauelemente erfordern, hohen Temperaturen standhalten und eine lange Lebensdauer unterstützen.

Die Serie C4AK von Kemet löst viele der Herausforderungen, die bei der Wahl eines DC-Link-Kondensators für Automotive-Anwendungen auftreten. Sie kombiniert langfristige Zuverlässigkeit mit 900-V-Betrieb bei Umgebungstemperaturen von bis zu 135 °C und eignet sich damit ideal für anspruchsvolle Automotive-Anwendungen.

* Matteo Taglioli ist Business Line Manager, Automotive Film Capacitors, bei der Kemet Corporation, einem Unternehmen der Yageo Group.

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