Keramik-Kondensatoren auf PLZT-Basis Wenn die Kapazität mit der Spannung steigt

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MLCCs mit Klasse-II-Dielektrikum zeigen im DC-Betrieb immer einen deutlichen Kapazitätsverlust. Oft wird das beim Datenblattstudium übersehen. Spezielle Keramikkondensatoren bieten hier eine Alternative, besonders in Snubber-Schaltungen für xEV-Inverter.

Kondensatoren sind die am häufigsten verwendeten passiven Bauelemente in elektronischen Designs. Sie werden in großem Umfang in Filtern, Verstärkern und Stromversorgungen sowie als Entkopplungskomponenten für ICs verwendet. Bei der Auswahl eines Kondensators für eine bestimmte Anwendung ist es wichtig, mehr als nur Kapazität und Spannung zu berücksichtigen. Auch andere Parameter wie die Temperaturstabilität und parasitäre Elemente wie die Ersatzserieninduktivität (ESL) und der Ersatzserienwiderstand (ESR) sind von entscheidender Bedeutung. Wirft ein Entwickler nur einen flüchtigen Blick auf ein Datenblatt, kann sich dies gravierend auf die Systemleistung auswirken, wie ein Beispiel mit Keramik-Vielschichtkondensatoren (MLCCs) zeigt.

Fallstrick DC-Bias-Effekt

Bei MLCCs mit Klasse-II-Dielektrikum auf Basis von Bariumtitanat sinkt die Kapazität mit der anliegenden Gleichspannung – auch als DC-Bias-Effekt bezeichnet – sowie mit der Temperatur. Bei einer Arbeitsspannung von beispielsweise 400 V fällt die tatsächliche Kapazität eines 630-V-Kondensators durch den DC-Bias-Effekt um etwa 60 % seines Nennwertes.

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Damit wird aus einem 1-µF-Keramik-Kondensator mit Klasse-II-Dielektrikum im konkreten Einsatzfall einer mit nur noch 400 nF (Bild 1). Diese Tatsache ist bei vielen Designs von entscheidender Bedeutung und verschärft sich noch, wenn die Temperatur variiert.

Warum CeraLink anders ist

Anders als bei MLCCs mit Klasse-II-Dielektrikum, steigt die Kapazität von Keramik-Kondensatoren auf Basis von Blei-Lanthan-Zirkonium-Titanat (PLZT) mit angelegter Spannung. Dies verdeutlicht das Beispiel der CeraLink Serie von TDK. Bild 2 zeigt, wie die Kapazität mit der angelegten Gleichspannung und der Restwelligkeit (Ripple) zunimmt, außerdem hängt die Kapazität auch von der Betriebstemperatur ab.

Demnach erreicht die Kapazität bei einem CeraLink mit einer Bemessungsspannung V_R von 500 V ihr Maximum bei einer Arbeitsspannung V_op von rund 400 V. Die rote Linie veranschaulicht, wie sich die Kapazität bei einem sehr geringer Restwelligkeit verändert, die schwarze Linie, wie sich dasselbe Bauelement bei einem erheblichen AC-Anteil verhält. Es ist deutlich zu erkennen, wie stark die Restwelligkeit die Kapazität beeinflusst; je höher dieser Wert, desto höher die Kapazität – ein Vorteil bei leistungselektronischen Anwendungen.

Mit seinem niedrigen ESR bei hohen Frequenzen (siehe Bild 3) kommt der CeraLink oft im DC-Zwischenkreis (DC Link) sowie im Dämpfungsglied (Snubber) oder in Filterschaltungen in Anwendungen mit hohen Spannungen und hohen Temperaturen zum Einsatz, beispielsweise in Bordnetzen von Elektrofahrzeugen. In solchen Anwendungen reduzieren die Kondensatoren die Auswirkungen parasitärer Induktivitäten.

Da solche Kondensatoren nahe am Schaltelement platziert werden können, können sie dazu beitragen, dass die Spannung nicht zu stark überschwingt und die Transistoren beschädigt. Als Teil einer Snubber-Schaltung kann ein Keramik-Kondensator die überschüssige Energie aus der Induktivität aufnehmen, wenn der Transistor ausgeschaltet wird. Dasselbe gilt für das Einschalten, wenn die parasitären Kapazitäten des Transistors sofort geladen werden müssen. Befindet sich ein Keramik-Kondensator direkt neben dem Schalttransistor und parallel zum Bulk-Zwischenkreis-Kondensator, kann er diesen Strom liefern. Andernfalls muss dieser Strom aus dem Bulk-Zwischenkreis-Kondensator mit der höheren parasitären Induktivität entnommen werden, da er weiter vom Schalttransistor entfernt ist.

Heutzutage können Bus-Kondensatoren in Hochtemperatur-Anwendungen wie xEV-Systemen die hohen Anforderungen an die elektrische Leistung nur mit zusätzlicher Kühlung erfüllen. Dies trifft beispielsweise auf Folienkondensatoren auf Basis von Polypropylen (PP) zu. CeraLink hingegen behält seine Leistungsfähigkeit auch bei hohen Temperaturen ohne zusätzliche Kühlmaßnahmen. Dadurch entfallen zusätzliche thermische Maßnahmen, was die Systemkosten, die Baugröße und das Gewicht reduziert.

Umrichter, die auf den schnell schaltenden Leistungshalbleiter-Materialien Siliziumkarbid (SiC) oder Galliumnitrid (GaN) basieren, arbeiten gut mit Kondensatoren auf PLZT-Basis wie dem CeraLink. Der niedrige, aber trotzdem nicht zu vernachlässigende ESR in Verbindung mit dem ständigen Laden und Entladen führt dazu, dass sich das Innere des Bauelements erwärmt. Dadurch verkürzt sich die Betriebslebensdauer eines Bauelements. Beim CeraLink hingegen nimmt der ESR mit höheren Temperaturen und höheren Schaltfrequenzen ab, sodass er wesentlich höhere Ströme liefern kann.

Vorteil bei den Systemkosten

Den großen Systemkosten-Vorteil des CeraLink gegenüber MLCCs mit Typ-II-Dielektrikum zeigt eine Snubber-Anwendung mit folgenden Anforderungen an den Kondensator: 220 nF bei einem Arbeitspunkt von 400 V. Auf der einen Seite steht der MLCC C5750X7R2J224K230KA (220 nF/630 V; Gehäusegröße: 2220), auf der anderen Seite der CeraLink B58043I5254M052 (85 nF/500 V; Gehäusegröße: 2220), beides Bauelemente von TDK. Da der MLCC wegen des DC-Bias-Effekts bei 400 V nur noch auf 63,8 nF kommt, sind vier Kondensatoren parallel nötig, während beim CeraLink nur ein einziges Bauelement genügt, um die Anforderungen der Anwendung zu erfüllen.

Bei einem 1000-er-Stückpreis von 0,32852 Euro [2] für den MLCC und 0,86769 Euro [3] für den CeraLink lässt sich erkennen, dass der CeraLink die deutlich kosteneffizientere Lösung ist, da bei der mit den MLCCs vier Bauelemente nötig sind. Dieser Kostenvorteil vergrößert sich noch, wenn man die Kosten für die Leiterplattenfläche und die Bestückung hinzurechnet. Mit dem CeraLink lassen sich also bis zu 70 % der Kosten einsparen.

Auch die Strombelastbarkeit ist beim CeraLink auf Bauteilebene höher: Während dieser bei einer Schaltfrequenz von 100 kHz und +85 °C Brummströme bis 5,0 A bewältigen kann, schafft der MLCC bei gleichen Bedingungen nur maximal 1,17 A. Daher erreichen vier parallel geschaltete MLCCs zusammen 4,68 A, etwas weniger als das eine CeraLink Bauelement.

Fazit

Im Gegensatz zu ihren konventionellen Gegenstücken mit Klasse-II-Dielektrikum steigt die Kapazität von Keramik-Kondensatoren auf PLZT-Basis wie dem CeraLink von TDK mit der DC-Vorspannung und der Temperatur bis zum Arbeitspunkt. Dadurch eignen sie sich für eine Vielzahl von Anwendungen. Sie dämpfen Spannungsspitzen hervorragend. Mit ihrem niedrigen ESL unterstützen sie Umrichter mit schnell schaltenden Wide-Bandgap-Halbleitern, und ihre hohe Rippelstrom-Belastbarkeit aufgrund des niedrigen ESR bei hohen Frequenzen und hohen Temperaturen unterstreicht ihre Vielseitigkeit.

Über die reine Funktion hinaus kann der Einsatz von CeraLink die Lösungen auch kostengünstiger machen, da weniger oder kein Wärmemanagement erforderlich ist, die Systemkosten sinken und die Größe und das Gewicht des Endprodukts reduziert werden. (mr)

[1] Produktseite CeraLink:
www.tdk-electronics.tdk.com/de/ceralink

[2] MLCC C5750X7R2J224K230KA bei DigiKey (aufgerufen am 28. August 2025)

[3] CeraLink B58043I5254M052 bei DigiKey (aufgerufen am 28. August 2025)

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