Kubische axiale Kondensatoren besitzen durch ihre vergrößerte Oberfläche verbesserte thermische Eigenschaften.

Bild: FTCAP

Kondensatoren in der Leistungselektronik Höhere Leistungsdichte

25.10.2017

Wie sich die Leistungsdichte von Elkos erhöhen lässt, ist bekannt. Allerdings steigt dabei die Temperatur. Mit einem speziellen Gehäuse-Design lässt sich dem entgegensteuern. Bei Folkos kann die Leistungsdichte hingegen mit einem einbaufertigen Modul erhöht werden.

In der Leistungselektronik wird immer wieder nach neuen Wegen gesucht, um die Leistungsdichte passiver Komponenten, zum Beispiel von Aluminium-Elektrolytkondensatoren und von metallisierten Folienkondensatoren, zu erhöhen. Der Hersteller FTCAP hat sich in beiden Segmenten mit der Entwicklung neuer Lösungen beschäftigt, die zu der gewünschten hohen Leistungsdichte führen. Das konnten die Konzepte in Vergleichstests beweisen.

Bessere Anpassung an den Kühlkörper

Eine höhere Leistungsdichte von Aluminium-Elektrolytkondensatoren (Elkos) ist auf zwei Wegen möglich: Dafür muss entweder der Rippelstrom bei gegebenem Volumen des Kondensators erhöht oder das Volumen bei gleichbleibendem Rippelstrom verkleinert werden. Dabei steigt die Umgebungstemperatur auf 150 °C oder mehr. Um die Zuverlässigkeit der Komponente nicht zu beeinträchtigen, ist eine Kühlung erforderlich. Daher sind die thermischen Eigenschaften des Kondensators von größter Bedeutung. Der Wärmewiderstand Rth entscheidet über die Stabilität der Komponente unter bestimmten Lastzuständen.

Aluminium-Elektrolytkondensatoren bestehen aus imprägnierten, gewickelten Aluminiumfolien als Anode beziehungsweise Kathode sowie einer Papier-Zwischenlage. Der Wärmewiderstand des Wickels ist in radialer Richtung höher als in axialer Richtung, wo die metallische Leitfähigkeit des Aluminiums unterstützend wirkt. Der Wärmewiderstand Rth verhält sich umgekehrt proportional zur Oberfläche des Gehäuses.

Auf Basis dieser Gegebenheiten entstand bei FTCAP die Idee, die thermischen Eigenschaften von Elkos durch eine Vergrößerung der Gehäuseoberfläche zu verbessern. Dafür entwickelten die Ingenieure kubische axiale Kondensatoren mit einem hermetisch laserverschweißten Alugehäuse. Denn im Vergleich zu einem herkömmlichen becherförmigen Gehäuse erreicht die kubisch axial geformte Variante eine um 27 Prozent vergrößerte Oberfläche, die sich in mehrfacher Hinsicht positiv auswirkt, wie Untersuchungen ergaben.

Ein Versuch, der die thermischen Eigenschaften der Kondensatoren mit unterschiedlich geformtem Gehäuse vergleicht, bestätigt das Konzept. Dafür wurden zwei axial verbleite Kondensatoren gegenübergestellt, für die dieselben Wickel- und Elektrolytmaterialien verwendet wurden: Kondensator 1 befand sich im herkömmlichen Bechergehäuse mit einem Durchmesser von 18 mm x 50 mm und einer von Oberfläche 3,3 cm2 sowie verschlossen mit einem klassischen Deckel aus Hartpapier und Gummi. Das Gehäuse von Kondensator 2 in Quaderform in den Maßen 18 mm x 18 mm x 50 mm gelangte zu einer Oberfläche von 4,2 cm2 und war durch einen per Laser verschweißten Aludeckel verschlossen. Zum Ermitteln der thermischen Eigenschaften wurden Messelemente in den Kondensatoren verbaut, die die Temperatur an den heißesten Stellen im Wickel ermitteln sollten. Beide Kondensatoren wurden dann auf eine Kupferplatte montiert. Die Kühlung erfolgte mittels Peletier-Element. Dann wurden beide Kondensatoren verschiedenen Rippelströmen und Kühlbedingungen ausgesetzt.

Die gemessenen Werte sprachen für das von FTCAP entwickelte kubisch axiale Design: Die um mehr als 27 Prozent vergrößerte Oberfläche zeigte bei der Kühlung einen geringeren Wärmewiderstand. Das bedeutet, dass das kubisch axiale Modell bei gleichem Rippelstrom eine geringere Übertemperatur hatte als die mit einem runden Bechergehäuse ausgestattete Variante. Auch die hermetische Laserverschweißung des Aludeckels waren haltbarer als die Standardversiegelung aus Gummi und Hartpapier. Das wiederum führte zu besseren Rippelstrom-Werten. „Insgesamt haben unsere Tests ergeben, dass die genannten Eigenschaften durch das innovative Gehäuse-Design auch zu einer Verdoppelung der Lebensdauer des Kondensators führen – aus unserer Sicht ein überzeugendes Argument für das neue Konzept“, erklärt Thomas Ebel, Geschäftsführer von FTCAP.

Folienkondensatoren nach Fischer-Link-Konzept

Zum Erhöhen der Leistungsdichte sind im Segment der Folienkondensatoren hingegen Lösungen gefragt, die höhere Schaltfrequenzen ermöglichen. Das erfordert Konstruktionen mit geringer Induktivität. Hierfür hat FTCAP unter der Bezeichnung Fischer-Link ein neues Konzept für Kunststoff-Folienkondensatoren (Folkos) entwickelt. Dabei handelt es sich um ein einbaufertiges Modul, bei dem der Wickel direkt mit dem Busbar verbaut ist und für eine rüttelfeste und haltbare Verbindung der beiden Bauteile sorgt. Größter Vorteil der patentierten Fischer-Link-Variante ist die im Vergleich zu herkömmlich verschraubten Kondensator- und Busbar-Modulen geringere Induktivität, die auf die Hälfte reduziert wird. Das erlaubt den Betrieb der montierten Kondensatorbank bei höheren Schaltfrequenzen und gleichzeitig geringeren Verlusten.

Um die Leistungsfähigkeit des Fischer-Link-Systems zu belegen, hat FTCAP mithilfe eines sogenannten Double-Pulse-Tests Vergleichstests mit herkömmlichen Kondensatoren durchgeführt. Die Tests sind eine etablierte Methode zur Messung der parasitären Induktivität in der Leistungselektronik. Dabei wird eine leicht zu messende Überspannung erzeugt. Die Differenz bei der Überspannung ist ein Maß für die Induktivität des Systems. Weitere Direktmessungen der Induktivität wurden mit Hilfe eines Netzwerkanalysators vom Typ HP3577A vorgenommen. Der Double-Pulse-Test wurde mit drei verschiedenen Folkos mit ähnlicher Busbar durchgeführt: Jeder der drei Kondensatoren wurde an einen IGBT-Schalter mit Treiber gehängt und mit einem Pulsgenerator über seine durch die Induktivität repräsentierte Last getriggert. Die Überspannung wurde mit Hilfe eines Oszilloskops überwacht, der Gesamtstrom mit einer Rogowskispule gemessen.

Die aufgezeichneten Daten ergaben, dass die Induktivität des Fischer-Link-Systems nur halb so hoch ist, wie die eines herkömmlichen Folienkondensators. Sie beträgt lediglich 21 nH gegenüber 43 nH bei dem Vergleichskondensator. Auch die entsprechende Pulsspannung verringerte sich von 1,98 auf 1,04 V. Damit weist der Folienkondensator nach dem Fischer-Link-System bei weniger Platzbedarf eine geringere Induktivität und damit eine höhere Leistungsdichte auf. Gleichzeitig wurde auch mit diesem Konzept eine verlängerte Lebensdauer erzielt.

Potenzial für weitere Optimierungen

Bei FTCAP sieht man Anhand der Ergebnisse noch Potenzial für weitere Optimierungen im Bereich der Aluminium-Elektrolyt- sowie der metallisierten Folienkondensatoren. „Unsere Entwicklungen belegen, dass es durch die Verbesserung der thermischen Eigenschaften von kubischen Aluminium-Elektrolytkondensatoren und durch intelligent konstruierte Filmkondensatoren nach unserem Fischer-Link-Prinzip möglich ist, die Leistungsdichte der passiven Komponenten zu erhöhen. Wir werden uns auch weiterhin intensiv diesem Thema widmen“, erklärt Ebel.

Bildergalerie

  • Ein einbaufertiges Fischer-Link-Modul erhöht die Leistungsdichte von Kunststoff-Folienkondensatoren.

    Bild: FTCAP

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