Abbildung 1: FischerLink: Ein niederinduktiver Kondensator mit dem sich auch bei großen Bauformen ein ESL von unter 20 nH erreichen lässt.

Bild: FTCAP

Leistungselektronik Parasitäre Induktivitäten reduzieren

14.10.2016

Mit fortschreitender Entwicklung der Leistungselektronik wachsen die Anforderungen an Zwischenkreiskondensatoren. Sie müssen zunehmend niederinduktiv aufgebaut sein, da ansonsten die Kapazität beeinträchtigt ist. Positiv ist, dass es schon eine Reihe von Lösungen gibt.

In den vergangenen Jahren gab es in der Leistungselektronik große Fortschritte bei der Entwicklung von Halbleiter-Schaltbausteinen, den sogenannten IGBTs (Insulated-Gate Bipolar Transistor). Diese werden in Geräten zur Umwandlung und Steuerung von elektrischer Energie eingesetzt, also zum Beispiel in Wechselrichtern von Solar- und Windenergieanlagen oder zur Leistungssteuerung von Elektromotoren in Fahrzeugen. Für eine bessere Energieeffizienz und zur Steigerung der Wirkungsgrade werden für diese Anwendungen immer höhere Schaltfrequenzen angestrebt. Das wiederum erhöht die Anforderungen an die dafür verwendeten Zwischenkreiskondensatoren. Sie müssen besonders niederinduktiv aufgebaut sein.

Auswirkung von parasitären Induktivitäten

Der Blindwiderstand eines idealen Kondensators verhält sich umgekehrt proportional zur Frequenz: Das heißt, bei steigender Frequenz sinkt der Blindwiderstand des Kondensators und bei gleichbleibender Wechselspannung (AC) steigt entsprechend der Strom.

Beim realen Kondensator gilt das leider nur näherungsweise und auch nur für den unteren Frequenzbereich. Für genauere Betrachtungen, insbesondere bei höheren Frequenzen, müssen zusätzlich die ohmschen Verluste (ESR, Equivalent Series Resistance) und die parasitäre Induktivität (ESL, Equivalent Series Inductivity L) des Kondensators berücksichtigt werden. Der ESR beschreibt die thermischen Verluste im Kondensator und besteht aus der Summe der Leitungswiderstände und den frequenzabhängigen, dielektrischen Verlusten. Im ESL werden die induktiven Komponenten des Kondensators zusammengefasst. Auch hier handelt es sich um einen Blindwiderstand, allerdings mit umgekehrtem Vorzeichen und umgekehrter Steigung wie der kapazitive Blindwiderstand. Die Kapazität des Kondensators bildet dabei zusammen mit dem ESL einen Serienschwingkreis.

Durch die vektorielle Addition der beiden Blindwiderstände und dem ESR lässt sich, abhängig von der Frequenz, die Impedanz des Kondensators ermitteln. Die Kurve zeigt dabei den typischen V-förmigen Verlauf, an ihrem tiefsten Punkt berührt sie die ESR-Kurve. Hier befindet sich der Resonanzpunkt, an dem sich die Blindwiderstände aus Kapazität und Induktivität genau aufheben. Oberhalb der Resonanzfrequenz wird die Impedanz des Kondensators durch die induktiven Komponenten dominiert.

Um die kapazitiven Eigenschaften des Kondensators für ein möglichst breites Frequenzband nutzen zu können, muss die Resonanzfrequenz so weit wie möglich nach oben verschoben werden. Bei gegebener Kapazität ist das nur durch eine konsequente Reduzierung der parasitären Induktivitäten erreichbar.

Entstehung von Induktivitäten im Kondensator

Jeder stromdurchflossene Leiter bildet um sich herum ein Magnetfeld, das wiederum den elektrischen Strom in diesem und den umgebenden Leitungen beeinflusst. Daraus resultiert, dass der stromdurchflossene Kondensatorwickel und die dafür erforderlichen Zuleitungen eine Induktivität bilden. Diese ist abhängig vom mechanischen Aufbau und den Abmessungen des Kondensators, die Kapazität spielt dabei keine Rolle. Eine genaue Berechnung des ESL scheitert meist an der Komplexität der elektrischen und mechanischen Bedingungen. Es gibt aber praktische Erfahrungen zur Abschätzung und daraus abgeleitete Methoden zur Reduzierung der Induktivität: Je größer die von einer Stromschleife umschlossene Fläche ist, desto größer wird der ESL. Daraus folgt, dass alle Stromleitungen möglichst kurz gehalten werden müssen. Wenn stromdurchflossene Hin- und Rückleitungen dicht beieinander liegen, dann heben sich deren Magnetfelder zum Teil gegenseitig auf. Parallelgeschaltete Induktivitäten verringern die Gesamtinduktivität.

Niederinduktive Lösungen

Die Kondensatoren der Baureihe Coaxcap besitzen intern einen komplett mit Kupfer ummantelten Kondensatorwickel. In Kombination mit einer plangefrästen Bodenfläche vereint diese Konstruktion gleich mehrere positive Eigenschaften: Neben einem extrem niederinduktiven Aufbau (<10 nH) besitzt der Kondensator beste thermische Eigenschaften und eine hohe Stromtragfähigkeit ohne Einschränkung der Selbstheilungseigenschaften.

Die Filmkondensatoren der Serie Energycap sind für Frequenzumwandler, DC-Filter und Zwischenkreise konzipiert. Sie besitzen eine niedrige Induktivität. Diese wird dadurch erreicht, dass die Leitungen zwischen Terminals und gegenüberliegender Wickelseite dicht am Wickel vorbeigeführt werden. Bei längerem Gehäuse wird der Kondensator aus der Parallelschaltung mehrerer Wickel aufgebaut. Dadurch lassen sich Induktivitäten im Bereich von 40 bis 100 nH erreichen.

Neu im Programm sind patentierte Kupfer-Kondensatoren. Diese Lösung ist eine niederinduktive Alternative für DC-Link-Kondensatoren in Kombination mit schnellen IGBTs. Die solide Bauweise in einem Kupferbecher und die Materialauswahl ermöglichen Induktivitäten unter 10 nH. Der thermisch optimierte Aufbau gewährleistet eine lange Lebensdauer. Selbstverständlich sind die Kondensatoren wie gewohnt isoliert und deshalb potentialfrei. Eine weitere niederinduktive Lösung von FTCAP gibt es als Komplettlösung in der Form des Fischerlinks. Die Kondensatoren werden ohne eigene Terminals, was für eine Verkürzung der Anschluss-Leitungen sorgt, direkt auf die niederinduktiv aneinander liegenden Kupferplatten der internen Busplatte geschweißt. Damit lässt sich auch bei großen Bauformen noch ein ESL von unter 20 nH erreichen.

Auch einzelne Aluminium-Elektrolyt-Kondensatoren für DC-Link-Anwendungen können niederinduktiv aufgebaut werden. FTCAP nutzt dafür kurze Anschlussbändern, um die jeweils gewünschten Werte zu erreichen. Viele Standardtypen aus dem Sortiment des Unternehmens sind auch als spezielle niederinduktive Sonderanfertigung erhältlich. Als technische Neuerung gibt es außerdem noch niederinduktiv ausgeführte IGBT-Terminals. Die Anschlusslaschen ermöglichen eine bislang noch nicht erreichte niederinduktive Anbindung des Zwischenkreiskondensators an die Schalt-Transistoren.

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