Wide-Bandgap-Halbleiter ermöglichen es, getaktete Applikationen in der Leistungselektronik wie etwa Stromversorgungen und Umrichtern mit Schaltfrequenzen im dreistelligen kHz-Bereich betrieben werden können. Wegen der hohen Schaltfrequenzen kommen zunehmend Folien-Kondensatoren als Zwischenkreis-Kondensatoren zum Einsatz. Über Busbars sind die Kondensatoren an die WBG-Module angebunden. Aufgrund der hohen Sperrschichttemperaturen erwärmen sich auch die Kondensatoren. Das Temperatur-Limit konventioneller Folien-Kondensatoren mit einem Dielektrikum aus biaxial orientiertem Polypropylen (BOPP) liegt jedoch bei nur 105 °C.

Mechanische Stabilität und Spannungs-Derating des COC-PP-Materials.

Bild 1: Links: Bei dem Material COC-PP erfolgt bis zu einer Temperatur von 130 °C keine Schrumpfung in transversaler Richtung. Rechts: Auch das Spannungs-Derating des Materials ist deutlich besser. TDK Electronics

TDK entwickelte hierfür ein Dielektrikum, das auch bei hohen Dauertemperaturen einsetzbar ist. Dabei handelt es sich um eine Kombination zweier Basismaterialien: semikristallines Polypropylen, das sich gut zu Folien verarbeiten lässt, und amorphes cyclisches Olefin-Copolymer (COC), das eine hohe Temperaturverträglichkeit hat. Das so erzeugte Dielektrikum COC-PP lässt mit wesentlich geringerem Derating bei Temperaturen von über 125 °C einsetzen, wobei die guten Selbst-heilungseigenschaften von BOPP erhalten bleiben. Außerdem lassen sich damit Folien mit nur 3 μm Dicke fertigen.

Hohe Performance dank minimaler ESR

Vergleich der Verlustleistung von konventionellen Kondensatoren und den HF-Leistungskondensatoren von TDK.

Bild 2: Bei den HF-Leistungskondensatoren ergibt sich bei hohen Frequenzen eine drastische Verringerung der Verlustleistung im Vergleich zu konventionellen Kondensatoren. TDK Electronics

Folien-Kondensatoren verfügen über einen komplexen ESR (Equivalent Series Resistance; innerer Verlustwiderstand), einer Serienschaltung aus einem ohmschen und einem kapazitiven Anteil. Daraus ergibt sich ein frequenzabhängiger Widerstand, der mit steigenden Frequenzen stark zunimmt, wofür im wesentlichen inhomogene Impedanzen, Skin-Effekte sowie Wicklungsgeometrien verantwortlich sind. Sie führen zu unerwünschten Resonanzen und elektromagnetischen Effekten. Die Folge ist eine Erwärmung des Kondensators. Mit Hilfe von CAD und Simulationssoftware hat TDK HF-Leistungskondensatoren mit einem optimierten inneren Design entwickelt. Diese bieten auch bei den hohen Frequenzen und Temperaturen, mit denen WBG-Halbleiter betrieben werden, dank minimiertem ESR eine hohe Performance mit geringen Verlusten.

TDK-Leistungskondensatoren für WBG-Halbleiter

Bild 3: Die TDK HF-Leistungskondensatoren sind speziell auf die Anforderungen von WBG-Halbleitern zugeschnitten. TDK Electronics

Die Kondensatoren der Serie B25640 sind auf SiC-Halbleiter zugeschnitten. Mit Nennspannungen von 700 VDC bis 2200 VDC und Kapazitäten von 379 bis 2300 μF eignen sie sich für die aktuelle Generation von Umrichtern für Traktion, Industrieantriebe und erneuerbare Energien. Mit dem COC-PP-Dielektrikum lassen sich die Kondensatoren ohne Spannungs-Derating bei Temperaturen von bis zu 125 °C betreiben. Aufgrund eines ESL-Wertes (Equivalent Series Inductance) von 10 nH tritt selbst bei hohen, schnell geschalteten Strömen nur ein geringes Überschwingen der Spannung auf, wodurch auf Snubber-Kondensatoren sogar verzichtet werden kann.