Schneller schalten in Umrichtern und Wandlern

Bild 1a: In der Low-Profile-Variante (LP) sind CeraLink-Kondensatoren mit einer Kapazität von 1 µF für eine Nennspannung von 400 V verfügbar.EPCOS

Zwei Halbleiter-Technologien bestimmen die Leistungsschalter in Stromversorgungen und Umrichtern: MOSFETs und IGBTs. MOSFETs lassen sich mit relativ hohen Schaltfrequenzen deutlich oberhalb von 30 kHz betreiben, weisen aber im Gegensatz zu IGBTs sehr große Chipflächen auf. Eine neue Generation von IGBT-Modulen von Infineon Technologies arbeitet sogar mit Taktfrequenzen von bis zu 100 kHz. Leitungsgebundene Verluste beziehungsweise Ausschaltverluste halten sich bei beiden Systemen die Waage. Schnelle IGBTs mit ihrer deutlich geringeren Fertigungskomplexität und vielfach kleineren Chipflächen als Superjunction-MOSFETs ermöglichen eine IGBT3-Technologie

Bild 1b: : In der SMD-Variante sind CeraLink-Kondensatoren mit einer Kapazität von 5 µF für eine Nennspannung von 400 V verfügbar.EPCOS

mit hohen Schaltfrequenzen zu einem ausgezeichneten Preis-Leistungs-Verhältnis. Schnell schaltende Systeme erfordern eine Schaltungsauslegung mit möglichst niedrigen ESR- und ESL-Werten. Dementsprechend müssen auch die passiven Bauelemente – neben den Induktivitäten insbesondere die Kondensatoren – mit hohen Taktraten Schritt halten können. Höhere Schaltfrequenzen gestatten es, kleinere und leichtere passive Bauelemente zu verwenden, was geringere Verluste verursacht und den Wirkungsgrad erhöht. Im Fokus stehen dabei die Kondensatoren.

Bild 1c: : In der SP-Variante mit Lötstift-Kontakten sind CeraLink-Kondensatoren mit einer Kapazität von 5 bis 20 µF für Nennspannungen von 400 bis 800 V verfügbar.EPCOS

Sie müssen eine hohe Schaltfrequenz mit niedrigen ESL- und ESR-Werten sowie einen extrem kompakten Aufbau in einem Design kombinieren. Mit konventionellen Kondensator-Technologien ist dies nur bedingt möglich. Einen völlig neuen Lösungsansatz bieten die Kondesatoren des Typs CeraLink von EPCOS: Bei dem Bauelement handelt es sich um einen als Rippelstrombegrenzer fungierenden Keramik-Vielschicht-Kondensator, der auch als Zwischenkreiskondensator (DC-Link-Kondensator, DCL) bezeichnet wird und zudem auch Snubber-Aufgaben erfüllt.

Neue Inverter-Designs möglich

Bild 1d: : In der Variante PFBB (Press-Fit Busbar) sind CeraLink-Kondensatoren mit einer Kapazität von 100 µF für eine Nennspannung von 400 V verfügbar.EPCOS

CeraLink bietet die Vorteile eines keramischen Kondensators ohne dessen ungünstige Eigenschaften. Das patentierte System aus antiferroelektrischem Multilayer-Keramik-Material mit speziellen Kupfer-Innenelektroden erlaubt es, sowohl die Standard-IGBTs als auch die neuen, schnell schaltenden Typen mit wesentlich höheren Frequenzen noch ökonomischer zu nutzen – und zwar auch in Schaltungen mit entsprechenden Superjunction-MOSFETs. CeraLink-Kondensatoren kombinieren eine hohe Kapazität pro Volumen mit besonders niedrigen ESL- und ESR-Werten von unter 4 nH beziehungsweise unter 4 mΩ und erzielen so eine deutliche Verbesserung der Effizienz, der Zuverlässigkeit und des Platzbedarfs in zukünftigen IGBT- und MOSFET-Inverter-Designs, die steile Schaltflanken und hohe Taktraten aufweisen. Von Vorteil sind darüber hinaus auch die LP- und SMD-Varianten des CeraLink-Kondensators als Snubberlösung für die Integration in Halbleiter-Leistungsmodulen.

In enger Zusammenarbeit mit Infineon Technologies passte EPCOS in den ersten Designs CeraLink-Baulemente auf spezielle IGBT-Module an und optimierte sie auf Energieeffizienz und andere Eigenschaften – und zwar sowohl für die Automotive-Serie EASY von Infineon als auch für die entsprechenden Typen in Industrie-Anwendungen.
Diese CeraLink-Kondensatoren weisen einen typischen Isolationswiderstand zwischen 1 und 10 GΩ auf, so dass sich selbst bei hohen Temperaturen nur ein sehr geringer Leckstrom ergibt.

Bild 2: Aufbau des 2,7-kW-Wandlers EASYKIT DCDC.EPCOS

Der Temperaturbereich ist von -40 bis +125 °C, aber kurzzeitig sind auch Temperaturen bis +150 °C möglich, wodurch sich die Bauelemente auch für Systeme mit SiC-Halbleitern (SiC: Siliziumkarbid) eignen. Eine aktive Kühlung ist dabei nicht zwingend erforderlich. Möglich wurde dies unter anderem durch eine innere Kupferkontaktierung, während eine interne Busbar für variable Einsatzmöglichkeiten sorgt. Die Höhe der Gehäuse stimmten die Designer auf gängige Halbleitermodule ab. EPCOS entwickelte CeraLink in seinem Kompetenzzentrum für keramische Bauelemente in Deutschlandsberg/Österreich auf Basis des unter anderem bei der Großserienfertigung von Piezo-Aktuatoren gesammelten Know-hows.

On-Board-Wandler

Die ersten Designs eines On-Board-Wandlers, das EASYKIT DCDC, wurden nach vorliegenden Vorgaben von OEMs für Nennspannungen von etwa 400 V DC auf der Hochvoltseite ausgelegt. CeraLink gibt es derzeit in unterschiedlichen Ausführungen mit Kapazitäten von 1 µF bis 100 µF bei Nennspannungen von 400 V DC bis 800 V DC.

Die unterschiedlichen Anschlussformen sind in Bild 1 dargestellt. Für die direkte Integration in Halbleiter-Leistungsmodule sind auf Grund des beengten Bauraums die SMD-Versionen (LP und SMD) (Bilder 1a und 1b) vorgesehen. Sie lassen sich in Löt-, Bond- oder Sinterprozessen verarbeiten.

Bild 3: Spannungsverlauf über dem IGBT bei einem herkömmlichen (rot) und beim CeraLink-Kondensator (türkis). Der Unterschied ergibt sich durch verschiedene parasitäre Induktivitäten beim Schalten. Die schwarze Linie markiert den Stromverlauf. EPCOS

In enger Zusammenarbeit mit EPCOS entwickelte Infineon auf Basis einer Vollbrücke mit Nullspannungsschaltung (ZVT) ein HV/LV-DC/DC-Demoboard mit einer Leistung von 2,7 kW, das je nach verwendeter HV-Batterie aus einer Eingangs-Gleichspannung von 200 V  bis 400 V am Ausgang eine Gleichspannung von typisch 8 V bis 16 V für das Bordnetz erzeugt – und zwar mit einem Strombereich von bis zu 200 A DC.

Parasitäre Effekte

Nicht nur der Kondensator erzeugt parasitäre Induktivitäten; im normalen Systemaufbau kommt es durch mehrere Faktoren zu merklichen Streuinduktivitätswerten: Neben der Kontaktierung im Inneren des IGBT-Moduls trägt dazu auch die Zuleitung zum Kondensator bei. Bedingt durch den kompakten Aufbau verringern sich diese Werte für die Zuleitung bei CeraLink in beachtlichem Umfang, während die kompakte Anbindung an das IGBT-Modul gleichzeitig für eine Bedämpfung der Überspannungen sorgt, so dass der Snubber-Kondensator meist entfallen kann.

Bild 4: Die geringen ESR-Werte von CeraLink dämpfen Überspannungsspitzen so ab, dass in der Regel keine zusätzlichen Snubber-Kondensatoren erforderlich sind.EPCOS

Bild 3 zeigt den Spannungsverlauf beim Abschalten des IGBTs mit und ohne CeraLink: Der Spannungsanstieg ist somit nur noch minimal und befindet sich im sicheren Bereich der IGBTs. Als Schaltfrequenz kommen hier 100 kHz zum Einsatz, die für den Kondensator eine Stromripple-Frequenz von 200 kHz bedeutet. Bild 4 zeigt den Verlauf von Impedanz und ESR als Funktion der Frequenz.
Die Kapazität der CeraLink-Kondensatoren reicht für reine DC/DC-Anwendungen im Auto meist aus, aber bei Anwendungen wie beispielsweise der Ansteuerung von Motoren kann die Kapazität zu gering sein. Hier kann das Parallelschalten von Aluminium-Elektrolyt- beziehungsweise Folien-Kondensatoren für Abhilfe sorgen, die mit ihrer hohen Kapazität den niederfrequenten Anteil des Stroms führen, während CeraLink unterdessen den hochfrequenten Anteil einschließlich Snubber-Anteil übernimmt.

(av)