Folienkondensatoren und Power-Module für Gleichspannungszwischenkreise

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Leistungsinverter mit schnell schaltenden Transistoren benötigen Kondensatoren mit niedriger Serieninduktivität im Gleichspannungszwischenkreis.

Die Kondensatoren im Gleichspannungszwischenkreis dienen als Puffer für Energiespitzen im motorischen oder generatorischen Betrieb der Antriebsmaschine. Sie dämpfen Netzrückwirkungen, also leitungsgebundene EMV, und sie dienen in der Funktion als Snubber als Filterkomponenten zum Schutz der Schalttransistoren vor Spannungsspitzen und grossem dU/dt (Spannungssteilheit).

Wichtige Eigenschaften von Zwischenkreiskondensatoren

Für die Filterfunktion gegen steilflankige Impulse sind eine niedrige Eigeninduktivität (ESL, Equivalent Series Inductance) und ein kleiner ESR (Equivalent Series Resistance) von Vorteil. In den Datenblättern wird die Güte als Verlustfaktor ausgedrückt. Die Verlustleistung, die im Kondensator am ESR abfällt, ist proportional zum Verlustfaktor und führt zu unerwünschter Eigenerwärmung.

Für die Funktion als Snubber platziert man den Kondensator wegen der parasitären Leitungsinduktivität möglichst mit geringer Leitungslänge am Schalttransistor. Die unvermeidlichen Verluste in den Transistoren der Endstufe führen ebenfalls zur Temperaturerhöhung, die die Lebensdauer benachbarter Bauteile verkürzt. Hier sind Folienkondensatoren robust und langlebiger, da sie, im Gegensatz zu Kondensatoren mit flüssigem Elektrolyt, nicht austrocknen.

Selbstheilung verhindert Ausfall

Als Selbstheilung wird die Fähigkeit des Kondensators beschrieben, mikroskopisch kleine interne Kurzschlüsse frei zu brennen, die eine hochohmige Stelle hinterlassen. Damit die internen Kurzschlussbereiche klein bleiben, wenden die meisten Hersteller bei Power-Filmkondensatoren die seit Jahrzehnten bewährte Technologie der kontrollierten Selbstheilung an. Dabei ist die Metallisierung der Folie segmentiert. Jedes metallisierte Segment ist mit den Nachbarsegmenten nur über dünne Schmelzbrücken verbunden. Im Falle eines lokalen Durchbruchs im Dielektrikum schmelzen diese Verbindungsbrücken zu den benachbarten Segmenten und isolieren so das schadhafte Segment. Dadurch bleibt der Schaden lokal begrenzt, und der Kondensator verliert nur einen kleinen Bruchteil seiner Kapazität.

Als Dielektrikum kommen häufig Polypropylen (PP) oder Polyester (PET) zur Anwendung. PP bietet einen geringen Verlustfaktor und eignet sich gut für die Impulsbelastung. PET verfügt über eine hohe spezifische Kapazität und einen geringen Volumenbedarf.

Hohe Ströme erfordern Leistungskondensatormodule

Im Zuge der Elektromobilität hat Infineon als Leistungsstufe für Traktionsinverter in Kraftfahrzeugen Halbleitermodule in den Gehäusen HybridPack 1, 2 und Drive eingeführt. Aufgrund der Höhe der fliessenden Lastströme erfolgt die Kontaktierung nicht mehr über Pins, sondern über Stromschienen. Hersteller von Folienkondensatoren haben passende vergossene Leistungskondensatormodule entwickelt, darunter AVX, TDK epcos, Rubycon und Wima, die auf Infineon-Gehäuse zugeschnitten sind.

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