• Geeignet für Ströme bis 8 A
• Platzsparend durch weniger Bauelemente und kleine Grundfläche
• Hohe Zuverlässigkeit für den Einsatz in Umgebungen mit hohen Temperaturen, beispielsweise im Automobilbereich und in industriellen Anwendungen

Die TDK Corporation hat ihre Serie MPZ1608-PH an Vielschicht-Chip-Perlen erweitert. Diese Produkte in der Baugröße 1608 sind für hohe Ströme in Stromversorgungseinheiten für Kraftfahrzeuge, industrielle Anwendungen sowie Telekommunikationsausrüstung und Rechenzentren gedacht. Diese 1,6 x 0,8 x 0,6 mm³ (L x B x H) großen Bauelemente erreichen einen Bemessungsstrom von 8 A, den höchsten Wert in der Branche*, und sind seit Mai 2025 in der Massenfertigung.

Chip-Perlen dienen zur Rauschunterdrückung in Signal- und Leistungskreisen. Bei Strömen ab 8 A müssen in der Regel zwei oder mehr Bauelemente parallelgeschaltet werden. Aber oft teilt sich der Strom nicht gleichmäßig auf die einzelnen Bauelemente auf. Das neue Produkt von TDK vereinfacht den Schaltungsaufbau, da im Vergleich zu herkömmlichen Lösungen weniger Bauelemente erforderlich sind, und verbessert die Qualität der Schaltkreise.

Die Produkte der MPZ1608-PH-Serie halbieren die Fläche auf der Platine im Vergleich zu Schaltungen mit zwei herkömmlichen Chip-Perlen der Größe 1608. Darüber hinaus sind die hochzuverlässigen Bauelemente mit einer spezifizierten Betriebstemperatur von bis zu +125 °C für den Einsatz in Umgebungen mit hohen Temperaturen wie Automobil- und Industrieanwendungen ausgelegt.

Mit proprietären Materialien und an die Marktanforderungen angepassten Strukturdesigns will TDK sein Angebot an Produkten mit hohen Nennströmen für die Bereiche Automotive, Industrie und Consumer weiter ausbauen.

Stand: Mai 2025 laut Studien von TDK
 

Die TDK Corporation kündigt den HVC50 an, einen Hochspannungs-Gleichstrom-Schütz, der für das Verbinden oder Trennen von Lithium-Ionen-Batterien mit bis zu 1500 V in Traktionsanwendungen, Energiespeichersystemen (ESS) und Megawatt-Ladesystemen entwickelt wurde. Mit diesem Bauelement unterstützt TDK seine Kunden dabei, den grünen Wandel hin zu einer vollelektrischen Gesellschaft voranzutreiben und damit den CO₂-Fußabdruck zu reduzieren.

Einmalig kann der HVC50 Gleichspannungen von bis zu 1500 V und Gleichströme von bis zu 1000 A in weniger als 30 ms trennen. Kontinuierlich kann er bis zu 750 A führen. Mit einem Gewicht von 1,7 kg und Abmessungen von 97,8 x 140 x 94,2 mm³ ist dieses Bauelement für die anspruchsvollen Anforderungen von Industrie-Anwendungen und Nutzfahrzeugen ausgelegt und vereint Zuverlässigkeit, Sicherheit und einfache Integration.

Der HVC50 verfügt über eine gasgefüllte keramische Lichtbogenkammer, die auch unter extremen Bedingungen dafür sorgt, dass der Strom schnell und sicher unterbrochen wird. Der integrierte Spiegelkontakt, welcher der Norm IEC 60947-4-1 entspricht, erhöht die Betriebssicherheit, indem er die Schaltvorgänge präzise zurückmeldet. Dank der Bidirektionalität des Schützes können Ströme problemlos in beide Richtungen fließen, was ihn äußerst vielseitig macht. Ein Doppelspulen-Design für Nennspannungen von 12 oder 24 V sorgt für einen energieeffizienten Betrieb. Die Einschaltleistung beträgt 50 W, während die stationäre Leistung nur 6 W beträgt, da nach etwa 200 ms eine der beiden Spulen abgeschaltet werden kann.

Zertifiziert nach CE- und UKCA-Normen sowie UL-Standards entspricht der Schütz HVC50 globalen Sicherheits- und Leistungsstandards und kann in verschiedenen Regionen eingesetzt werden, darunter Europa, USA und Asien. Indem er die steigende Nachfrage nach effizienter und zuverlässiger Stromversorgung in ESS und Megawatt-Ladesystemen bedient, trägt der HVC50 dazu bei, den Ausbau nachhaltiger Energielösungen und Lade-Infrastrukturen mit hoher Leistung weltweit zu beschleunigen.
 

• Neues 100-V-Produkt für Automobilanwendungen mit 10 µF in 3225-Gehäusegröße (hohe Kapazität)
• Reduziert die Anzahl der erforderlichen Bauelemente und verkleinert die Baugruppen
• Qualifiziert nach AEC-Q200

Die TDK Corporation hat ihre CGA-Serie an Vielschicht-Keramikkondensatoren (MLCCs) für den Automobilbereich auf 10 µF bei 100 V in der Baugröße 3225 (3,2 x 2,5 x 2,5 mm³; L x B x H) mit X7R-Temperaturcharakteristik (Klasse-II-Dielektrikum) erweitert. Damit handelt es sich um die branchenweit höchste Kapazität* für ein Produkt mit Nennspannung 100 V in der Größe 3225 und dieser Temperaturcharakteristik. Die Massenproduktion der Serie begann im April 2025.

In den vergangenen Jahren ist einerseits die Stromaufnahme gestiegen, und es kommen immer mehr hochkomplexe Steuergeräte mit hohen Strömen zum Einsatz. Andererseits nimmt auch die Nachfrage nach leichteren Fahrzeugen (mit leichteren Kabelbäumen) und damit der Einsatz von 48-V-Batteriesystemen zu. Dadurch steigt auch die Nachfrage nach 100-V-Produkten mit hoher Kapazität, wie z. B. Glättungs- und Entkopplungskondensatoren für die Versorgungsleitungen.

Dank optimierter Materialauswahl und Konstruktion erreichen die 100-V-Produkte der CGA-Serie die doppelte Kapazität herkömmlicher Produkte der gleichen Größe. Dadurch halbiert sich die Anzahl der benötigten MLCCs und die Montagefläche, was die Miniaturisierung von Baugruppen erleichtert. TDK wird sein Sortiment weiter ausbauen, um den Kundenanforderungen gerecht zu werden.

*Quelle: TDK, Stand: April 2025
 

Die TDK Corporation bringt mit dem B58101A0851A000 den ersten einer neuen Reihe von Eintauch-Temperatursensoren (Immersion Temperature Sensor, ITS) speziell für Kühlaufgaben im Antriebsstrang von Elektrofahrzeugen auf den Markt. Dieser reaktionsschnelle, vollständig gekapselte NTC-Thermistor wurde für eine schnelle und präzise Temperaturregelung entwickelt, z. B. für ölgekühlte Systeme. Im Antriebsstrang von Elektrofahrzeugen dürfte sich die Ölkühlung für das Temperaturmanagement durchsetzen. Basierend auf der Expertise von TDK bei der Entwicklung maßgeschneiderter Lösungen von Temperatursensoren bietet dieses Bauelement ein flexibles, anpassbares Design, das sich an verschiedene Einbaupositionen, Kühlmedien und Montagekonfigurationen adaptieren lässt.

Der Temperatursensor ist leicht (<11 g), hat eine Ansprechzeit von weniger als 4 s (τ_63%) und eine Genauigkeit von unter ±1 K über den gesamten Temperaturbereich von -40 °C bis +150 °C. Dies kann die Effektivität des Wärmemanagements verbessern. Der Sensor ist sehr widerstandsfähig gegenüber dem Getriebeöl ZF EcoFluid E für elektrische Antriebssysteme, die Widerstands-Temperatur-Kurve (RT) lässt sich individuell anpassen und der Sensor ist in verschiedenen Montagekonfigurationen erhältlich.

Mit diesem Temperatursensor für den Ölkreislauf stellt TDK eine weitere präzisionsgefertigte, anpassbare thermische Lösung bereit, um die Mobilitätswende und sich stetig weiterentwickelnde Anwendungen im Bereich der E-Mobilität zu unterstützen.
 

• Ausgelegt für hohe Ströme von bis zu 1600 mA
• Hohe Impedanz über einen breiten Frequenzbereich
• Einsetzbar in Umgebungen mit hohen Temperaturen; unterstützt einen breiten Arbeitsbereich von -55 °C bis +155 °C

Die TDK Corporation hat die ADL3225VF-Serie (3,2 x 2,5 x 2,3 mm³; L x B x T) von drahtgewickelten Induktivitäten für Power-over-Coax (PoC) im Automobilbereich erweitert. Die Massenproduktion dieser neuen Bauelemente begann im März 2025.

Moderne Fahrerassistenzsysteme (ADAS) verbessern die Verkehrssicherheit durch den Einsatz von Kameras und Sensoren, die das Fahrumfeld überwachen. In der Regel erfassen mehrere Kameras, die an der Front, am Heck und an den Seiten des Fahrzeugs angebracht sind, die Umgebung in Echtzeit und sorgen so für ein sicheres, unfallfreies Fahrerlebnis. Normalerweise benötigen diese Kameras zwei separate Leitungen: eine für die Stromversorgung, die an die Fahrzeugbatterie angeschlossen ist, und eine für die Datenübertragung, die mit dem Steuergerät (ECU) verbunden ist. Mit der PoC-Technologie kann ein einziges Koaxialkabel jedoch gleichzeitig sowohl Energie als auch Daten übertragen, was die Verkabelung vereinfachen und reduzieren kann. Dadurch lässt sich das Fahrzeuggewicht verringern, was wiederum die Kraftstoffeffizienz verbessern und die CO₂-Emissionen senken kann.

Die neue ADL3225VF-Serie von TDK ist für einen Nennstrom von 1,6 A spezifiziert, was dem der Baureihe ADL4532VK (vorgestellt am 13. Februar 2025) entspricht, wobei die Montagefläche um etwa 45% reduziert werden konnte. Das PoC-System benötigt einen Filter mit mehreren Induktivitäten, um den Strom vom Datensignal zu trennen, bevor sich die Daten effektiv verarbeiten lassen. Im Vergleich zu herkömmlichen Produkten, wie der ADL3225VM-2R2M, liegt der Bemessungsstrom bei der ADL3225VF-Serie um etwa 20% höher, weil proprietäre Materialien und innovative Aufbautechniken zum Einsatz kommen. Gleichzeitig bietet die ADL3225VF-Serie eine hohe Impedanz über einen breiten Frequenzbereich von mehreren zehn Megahertz (MHz) bis zu mehreren hundert Megahertz. Dadurch wird die Anzahl der verwendeten Induktivitäten reduziert und Platz gespart. Darüber hinaus ist das Bauelement mit einer oberen Betriebstemperaturgrenze von +155 °C äußerst zuverlässig.

Auch zukünftig wird TDK induktive Bauelemente für PoC-Anwendungen im Automobilbereich entwickeln. Um den Marktanforderungen gerecht zu werden, wird das Unternehmen optimierte Designs durch die Verfeinerung von Vielschicht-, Drahtwickel- und Dünnschichttechnologien verfolgen. TDK wird seine Produktpalette erweitern, um die Qualität der PoC-Signalübertragung zu verbessern.
 

Snubber-Kondensatoren oder einen Teil der Zwischenkreiskapazität in das Leistungsmodul für Wechselrichter zu integrieren, zielt darauf ab, einerseits die Effizienz und Leistung des Wechselrichters insgesamt zu verbessern und andererseits die Systemkosten zu senken. Aufgrund der hohen Belastungen in einem Leistungsmodul kommen hierfür nur Keramikkondensatoren in Frage. CeraLink, ein Hochspannungs-Keramikkondensator, den TDK speziell für Anwendungen in der Leistungselektronik entwickelt hat, bietet gegenüber Standard-Mehrschicht-Keramikkondensatoren (MLCCs) erhebliche Vorteile, insbesondere bei schnell schaltenden Power-Modul-Anwendungen mit Siliziumkarbid (SiC) oder Galliumnitrid (GaN).

Wechselrichter sind zentrale Komponenten in Elektrofahrzeugen (xEVs), weil sie den Gleichstrom aus der Autobatterie in Wechselstrom umsetzen, um damit den Motor anzutreiben. Ein hoher Wirkungsgrad und eine hohe Zuverlässigkeit sind unerlässlich, um die Reichweite, Leistungsfähigkeit und Lebensdauer des Fahrzeugs zu maximieren. Immer mehr xEVs arbeiten mit hohen Spannungen (in der Regel etwa 800 bis 900 V), um den Wirkungsgrad zu verbessern und die Ladezeiten zu verkürzen. Der Wechselrichter muss diese hohen Spannungen sicher und zuverlässig verarbeiten können. Durch den Einsatz fortschrittlicher Leistungshalbleiter wie Siliziumkarbid- (SiC) oder Galliumnitrid-Transistoren (GaN) lässt sich die Verlustleistung senken und der Wirkungsgrad erhöhen.

Dessen ungeachtet sind effektive Kühllösungen erforderlich, weil trotzdem Verluste in Form von Wärme entstehen. Innovative Designs wie doppelseitige Kühlstrukturen tragen dazu bei, die Kühlleistung zu optimieren und die Gesamtgröße und das Gewicht des Wechselrichters zu reduzieren, was wiederum wichtig ist, um die Reichweite und das Fahrverhalten des Wagens zu verbessern.

Neben Effizienz und Performance spielen auch die Systemkosten eine wichtige Rolle, da die Entwicklung und Fertigung von leistungsstarken Wechselrichtern kostspielig sind. Einer der wesentlichen Kostentreiber im Leistungsmodul sind die SiC-Chips. Entsprechend kann jede Möglichkeit, diese Komponenten effizienter zu betreiben oder die Anzahl der erforderlichen Chips zu reduzieren, erheblich Kosten einsparen.

Abbildung 1a: Blockschaltbildeiner Standard-Wechselrichtertopologie mit der HV-Versorgung (z. B. Batterie), dem Wechselrichtermodul und der konventionellen Lösung eines DC-Zwischenkreiskondensators.

 

 

Abbildung 1b: Blockschaltbild einer Standard-Wechselrichtertopologie mit der HV-Versorgung (z. B. Batterie), dem Wechselrichtermodul und einer Lösung mit verteiltem DC-Zwischenkreiskondensator, bei der ein Teil der Kapazität in die Nähe des Leistungsmoduls verlagert ist.

 

Abbildung 1c: Blockschaltbild einer Standard-Wechselrichtertopologie mit der HV-Versorgung (z. B. Batterie), dem Wechselrichtermodul und einem im Power-Modul integrierten Snubber.

Je nach Topologie benötigen moderne Wechselrichter für e-Fahrzeuge in der Regel eine Zwischenkreiskapazität (DC-Link) von mehreren hundert Mikrofarad. Diese wird in der Regel durch metallisierte Folienkondensatoren aus Polypropylen realisiert (Abbildung 1(a)). Allerdings sind diese Bauelemente sperrig und können daher nicht ohne Weiteres nahe bei den Leistungsschaltern platziert werden. Daher bildet sich zwischen dem Zwischenkreiskondensator und den SiC-MOSFETs eine signifikante parasitäre Induktivität aus. Auch bei einer sorgfältig ausgelegten Sammelschiene (Busbar) kann die Spannung bei steilen Schaltflanken (hohes di/dt) stark überschwingen. Solche Spannungsspitzen gefährden nicht nur die Leistungsschalter, sondern erhöhen auch die EMV des Gesamtsystems, sodass möglicherweise größere und teurere Filter erforderlich werden.

Hybride Systeme, wie in Abbildung 1(b) und (c) dargestellt, teilen die Zwischenkreiskapazität auf. Ein kleiner Teil wird so nah wie möglich an das Power-Modul (oder sogar ins Modul) verlagert. Dieser kleine Anteil lässt sich in der Regel durch kompakte, niederinduktive Bauelemente, z. B. Keramikkondensatoren, realisieren. Da diese Bauelemente direkt neben den Schaltelementen sitzen, können sie dazu beitragen, Spannungsüberhöhungen zu reduzieren, die andernfalls die Leistungsschalter beschädigen könnten. Diese Bauelemente werden allgemein als Snubber oder Entkopplungskondensatoren bezeichnet und nehmen überschüssige Energie aus der parasitären Induktivität auf, wenn der Transistor ausgeschaltet wird. Das Gleiche gilt für das Einschalten, wenn die parasitären Kapazitäten des Transistors sofort geladen werden müssen. Ein Keramikkondensator, der parallel zum Haupt-Zwischenkreiskondensator neben dem Leistungsschalter platziert wird, kann diesen Strom liefern. Andernfalls müsste dieser Strom vom Haupt-Zwischenkreiskondensator kommen. Aber in diesem Fall wäre die parasitäre Induktivität höher, da der Kondensator weiter vom Schalttransistor entfernt ist.

In solchen hybriden Systemen können die parasitären Induktivitäten (z. B. Sammelschiene und Gleichstromzwischenkreis) im Zusammenspiel mit der Snubber-Kapazität unerwünschte Resonanzen verursachen, auch als Antiresonanz-Effekt bezeichnet. Dadurch können hohe Blindströme auftreten, die wesentlich höher sind als der eigentliche Snubber-Strom, wodurch sich der Snubber-Kondensator unerwartet stark erhitzt, und die Effizienz sinkt. Dieser Effekt wird noch gravierender, wenn die Antiresonanz-Frequenz in der Nähe der Schaltfrequenz oder relevanter Oberwellen liegt. Bei einem nicht optimierten Design kann diese Antiresonanz-Frequenz leicht im Bereich von 200 bis 400 kHz liegen, was bereits mit den Oberwellen typischer Schaltfrequenzen zusammenfallen kann, sodass starke Schwingungen auftreten können. Um diesen Effekt möglichst gering zu halten, muss die Antiresonanz zu höheren Frequenzen verschoben werden. Dies kann durch Minimierung der Induktivität der Sammelschiene (z. B. durch eine möglichst kurze Sammelschiene) und Reduzierung der Snubber-Kapazität auf das niedrigste akzeptable Niveau geschehen. Darüber hinaus könnten Dämpfungselemente erforderlich sein, vorzugsweise frequenzabhängig (z. B. durch Nutzung des Skin-Effekts. Für weitere Details siehe [1].)

Abbildung 2: Einfluss der Schleifeninduktivität auf Überspannungen am Halbleiter. Je größer die Schleifeninduktivität, bedingt durch den Abstand des Kondensators zu den Schaltern, desto größer die Überspannungen und umgekehrt. Dank einer maximalen Betriebstemperatur von +150 °C kann CeraLink sehr nah an den Halbleitern platziert werden, was die Schleifeninduktivität minimiert.

Der nächste logische Schritt besteht darin, den Snubber-Kondensator direkt in das Power-Modul zu integrieren, wie in Abbildung 1(c) dargestellt. In diesem Fall lassen sich die Snubber so nah wie möglich an den Schaltelementen platzieren, wodurch die Schleifeninduktivität insgesamt erheblich minimiert wird, wie in Abbildung 2 dargestellt. Daher arbeiten sie sehr effizient, was das Filtern von Spannungsspitzen angeht. Da die induzierte Überspannung proportional zur parasitären Induktivität ist, könnte am Ende weniger Kapazität erforderlich sein.

Bei all den Vorteilen ergeben sich durch die Integration der Kondensatoren in das Power-Modul jedoch auch einige Herausforderungen. Nur Keramik-Vielschichtkondensatoren (MLCCs) können die Anforderungen an Energiedichte, Strombelastbarkeit, Temperaturbereich und Kompaktheit erfüllen. Je nach verwendetem Keramikmaterial sind unterschiedliche MLCC-Klassen verfügbar, die jeweils ihre Vor- und Nachteile haben. Im Folgenden betrachten wir drei verschiedene Materialien, nämlich die bekannten Klasse-I- und Klasse-II-Dielektrika sowie ein anti-ferroelektrisches Dielektrikum, das im CeraLink von TDK verwendet wird und speziell für die Leistungselektronik der Zukunft entwickelt wurde.

Fallstrick DC-Bias-Effekt, Strombelastbarkeit und Temperaturbereich

Die Kapazität von MLCCs mit Klasse-II-Dielektrikum (z. B. Temperaturklasse X7R) nimmt mit der angelegten Gleichspannung ab – bekannt als DC-Bias-Effekt und in Abbildung 3(a) dargestellt. Exemplarisch liefert ein MLCC mit einem solchen Dielektrikum (X7R), der eine Nennspannung von 630 V und eine Nennkapazität von 1 µF aufweist, bei einer Betriebsspannung von 400 V nur einen Bruchteil der Nennkapazität, d. h. die Kapazität sinkt aufgrund des DC-Bias-Effekts um fast 80% des Nennwerts. Außerdem sinkt die Kapazität auch mit der Temperatur, wie in Abbildung 3(b) dargestellt. Allerdings ist dieser Effekt in der Regel weniger ausgeprägt als der DC-Bias-Effekt, insbesondere bei höheren Spannungen. Wenn jedoch sowohl der DC-Bias- als auch der Temperatureffekt berücksichtigt werden, reduziert sich die Kapazität von 1 µF am Arbeitspunkt auf nur etwa 0,2 µF. Diese Tatsache ist für viele Designs ausschlaggebend, da die Kapazität in der Anwendung dann erheblich vom erwarteten Wert abweicht.

Abbildung 3: Kapazitätsverlauf über (a) die DC-Bias-Spannung und (b) der Temperatur für MLCCs mit Klasse-I- (C0G) und Klasse-II-Dielektrikum (X7R und X7T) sowie CeraLink.

Ein weiterer Schwachpunkt bei MLCCs mit Klasse-II-Dielektrikum ist ihre begrenzte Stromtragfähigkeit, zusammen mit ihrer Neigung zu thermischem Durchgehen, sobald mehrere Kondensatoren parallelgeschaltet werden. Das bedeutet, dass der bereits heißeste Kondensator in dieser Verschaltung noch heißer wird, sodass das System thermisch und/oder elektrisch instabil wird.

Schließlich sind MLCCs mit Klasse-II-Dielektrikum in der Regel auf eine maximale Bauelementtemperatur von +125 °C begrenzt. Dies könnte für bestimmte Anwendungen mit Power-Modulen knapp bemessen sein, da die Sperrschichttemperatur von SiC-MOSFETs leicht auf +175 °C ansteigen kann. Für die Lebensdauer macht es einen großen Unterschied, ob der Kondensator bereits nahe seiner oberen spezifizierten Temperatur (z. B. +125 °C) läuft oder ob er für +150 °C ausgelegt ist, aber nur bei +125 °C arbeiten muss. Als Faustregel gilt, dass sich die Lebensdauer mit jedem Temperaturabfall um 10 K verdoppelt. Außerdem können schwierige Fertigungsbedingungen bei der Modulfertigung (z. B. hohe Temperaturen beim Reflow-Löten) für einige Standardkondensatoren inakzeptabel sein.

Andererseits variiert die Kapazität von MLCCs mit Klasse-I-Dielektrikum (z. B. Temperaturklasse C0G) kaum mit dem DC-Bias oder der Temperatur. Außerdem verkraften sie hohe Umgebungstemperaturen und hohe Betriebsströme problemlos. Allerdings ist ihre Kapazitätsdichte in der Regel gering, sodass mehrere Bauelemente erforderlich sind, um eine ausreichende Kapazität zu erreichen. Dies verbraucht viel Platz auf der Leiterplatte und kann zu Platzproblemen führen sowie die gesamte Schleifeninduktivität erhöhen. Eine solche Lösung steht im Widerspruch zur ursprünglichen Idee, die Schaltung möglichst niederinduktiv zu gestalten.

Warum CeraLink anders ist

Anders als MLCCs mit Klasse-I- oder Klasse-II-Dielektrikum basieren CeraLink-Kondensatoren auf Blei-Lanthan-Zirkonat-Titanat-Keramik (PLZT). Dadurch nimmt die Kapazität mit dem DC-Bias zu, wie in Abbildung 3(a) dargestellt. Zudem steigt die Kapazität mit der Temperatur bis zu einem gewissen Maximum an und nimmt dann wieder ab (siehe Abbildung 4). Dies eliminiert wirksam das Risiko, dass der Kondensator thermisch durchgeht.

Abbildung 4: Kapazitätsverlauf von CeraLink über der Temperatur für verschiedene DC-Bias-Spannungen. Diese Charakteristik verhindert ein thermisches Durchgehen, wozu es bei MLCCs mit Klasse-II-Dielektrikum kommen kann.

Abbildung 5: Verlauf des ESR beim CeraLink über der Frequenz. Dadurch kann CeraLink bei höheren Temperaturen höhere Brummströme verarbeiten.

 

Abbildung 6: Verlauf des ESR beim CeraLink über die Temperatur für verschiedene DC-Bias-Spannungen. CeraLink arbeitet bei hohen Temperaturen also noch effizienter.

Des Weiteren arbeitet CeraLink auch bei hohen Temperaturen sehr effizient, sodass er nicht zusätzlich gekühlt werden muss. Zu verdanken ist dies zum einen der Tatsache, dass die ESR sowohl mit der Frequenz als auch mit der Temperatur abnimmt (siehe Abbildungen 5 und 6), sodass bei Anwendungen in heißen Umgebungen, wie z. B. Power-Modulen, deutlich höhere Ströme fließen können. Zweitens kann CeraLink aufgrund seiner maximalen Temperatur von +150 °C sehr nah an den Halbleitern platziert werden, was dazu beiträgt, den Einfluss parasitärer Induktivitäten zu reduzieren (siehe Abbildung 2). Dies kann den Bedarf an einem zusätzlichen Wärmemanagement eliminieren, was wiederum die Systemkosten senkt und sowohl die Größe als auch das Gewicht des Systems reduziert. Durch all diese Eigenschaften kann CeraLink sehr gut für schnell schaltende leistungselektronische Anwendungen mit Wide-Bandgap-Technologie eingesetzt werden.

Vorteil bei den Systemkosten

Zum besseren Vergleich beschränken wir uns in diesem Abschnitt auf gängige Gehäuseformen für MLCCs wie EIA 2220 mit Soft-Terminierung und AEC-Q200-Qualifizierung (Automotive) und betrachten nur nicht gestapelte MLCCs bzw. MLCCs ohne Leadframe. In der Regel werden für Wechselrichteranwendungen in Leistungsmodulen für die Automobilindustrie größere Kapazitäten im Bereich von mehreren hundert Nanofarad bis zu einigen Mikrofarad benötigt. CeraLink kann diese Anforderung mit den Serien LP (Low Profile) und FA (Flex-Assembly) erfüllen.
 

Um aufzuzeigen, welchen Vorteil CeraLink gegenüber MLCCs mit Klasse-II-Dielektrikum in Bezug auf die Gesamtbetriebskosten bietet, sei eine Snubber-Anwendung betrachtet, die etwa 50 nF bei 800 V erfordert. Eine vergleichende Analyse zwischen dem CeraLink B58043E9563M052 (56 nF/900 V) und zwei MLCCs (beide 1000 V) verschiedener Hersteller zeigt erhebliche Unterschiede (Tabelle 1). Aufgrund des DC-Bias-Effekts erreichen diese MLCCs bei einer Betriebsspannung von 800 V nur 12,6 nF bzw. 25,9 nF, sodass drei oder vier Bauelemente parallelgeschaltet werden müssen, während ein einzelner CeraLink der Baugröße 2220 ausreicht.

Obwohl der Preis pro 1000 Stück für CeraLink bei den großen Online-Händlern angeboten wird, etwa doppelt so hoch ist wie für die meisten MLCCs, ist die Snubber-Lösung mit CeraLink an diesem Betriebspunkt kosteneffizienter für diese Anwendung. Rechnet man die Kosten für die Leiterplattenfläche und die Montage hinzu, wird dieser Kostenvorteil sogar noch größer. Unterm Strich lassen sich mit CeraLink in dem genannten Beispiel bis zu 60% der Kosten einsparen. Die Kosteneinsparungen können sogar noch höher ausfallen, wenn man berücksichtigt, dass eine geringere Gesamtinduktivität schnellere und härtere Schaltvorgänge ermöglicht (z. B. Kühlkonzept, geringere elektromagnetische Abstrahlung und günstigere Filter).

Zusammenfassung

Anders als herkömmliche MLCCs mit Klasse-II-Dielektrikum steigt die Kapazität von CeraLink mit der DC-Bias-Spannung und der Temperatur bis zu ihrem Arbeitspunkt. Dadurch lassen sie sich in verschiedenen Anwendungen der Leistungselektronik vielseitig einsetzen. Sie eignen sich hervorragend dafür, Spannungsspitzen zu dämpfen, und dank ihrer niedrigen äquivalenten Serieninduktivität (ESL) passen sie bestens zu schnell schaltenden Wide-Bandgap-Halbleitern. Da sie aufgrund ihres niedrigen äquivalenten Serienwiderstands (ESR) bei hohen Frequenzen und Temperaturen hohe Brummströme bewältigen können, sind sie besonders vielseitig. Da sie außerdem bei hohen Temperaturen arbeiten können, lassen sie sich sehr nah an Hochleistungsschaltern platzieren, wo sie Spannungsspitzen bei schnellen Schaltvorgängen effektiv dämpfen (Tabelle 2).
 

Zusätzlich zu ihren technischen Vorteilen können CeraLink-Kondensatoren Kosten einsparen, indem sie den Bedarf an Wärmemanagement oder Filterung minimieren oder sogar eliminieren. Durch die niedrigeren Systemkosten lassen sich auch Größe und Gewicht des Endprodukts reduzieren. CeraLink ist in verschiedenen Spannungs- und Kapazitätsbereichen erhältlich, um unterschiedliche Kundenanforderungen abzudecken.

Nächste Schritte bei der Modulintegration

Der nächste Entwicklungsschritt beim Design von Power-Modulen könnte der Einsatz von mehrschichtigen Keramiksubstraten wie Aluminiumnitrid (AlN) sein. Dieses neue Trägermaterial von TDK bietet zahlreiche technische Vorteile und katapultiert das Power-Modul auf die nächste Stufe.

Power-Module arbeiten in der Regel am effizientesten, wenn sie nahe an ihren thermischen Grenzen betrieben werden. Um an diesen Grenzen zu arbeiten und zu verhindern, dass die Halbleiter in den Power-Modulen überhitzen, muss die Temperatur präzise und genau gesteuert werden. Um die Herausforderung an die Temperaturgenauigkeit zu meistern, hat TDK bleifreie und RoHS-kompatible SMD-NTC-Thermistoren entwickelt, die die entsprechenden R/T-Kennlinien der auf dem Markt erhältlichen, nicht vollständig RoHS-kompatiblen Technologien aufweisen und so einen unkomplizierten Umstieg ermöglichen.

Quellenangaben

[1] Neudecker, M. and Chatterjee, P., Mitigating DC Link Anti-Resonance for WBG-Based Designs; Bodo’s Power Systems; 10/2024, pp. 42-46

Kontakt

Die TDK Corporation präsentiert mit der EPCOS Serie EP9 (Bestellnummer: B82804E) Übertrager für die Oberflächenmontage, die noch kompakter sind als die bestehende Serie E10EM. Ausgelegt wurden die neuen Bauelemente speziell für IGBT- und FET-Gate-Treiber-Schaltungen in anspruchsvollen Elektromobilitäts- und Industrie-Anwendungen mit einer Systemspannung von 500 V. Die Übertrager überzeugen durch eine hervorragende Isolierung, minimale Koppelkapazität und hohe thermische Belastbarkeit. Mit dieser neuen Serie ebnet TDK den Weg in eine zunehmend elektrifizierte und nachhaltige Zukunft und treibt so die grüne Transformation voran.

Grundlage der EP9 Serie ist ein MnZn-Ferritkern mit SMD-L-Pin-Konstruktion, der eine Höhe von nur 11 mm und eine Grundfläche von 13 x 11 mm² aufweist. Die Übertrager arbeiten in einem breiten Temperaturbereich von -40 °C bis +150 °C und gewährleisten eine lange Lebensdauer unter widrigen Bedingungen. Mit einer Koppelkapazität von nur 2 pF, die dem Standard AEC-Q200 Rev. E entspricht, und einer Kriech- und Luftstrecke von mindestens 5 mm werden diese oberflächenmontierbaren Bauelemente in der Regel in Automobil-Anwendungen und anderen anspruchsvollen Umgebungen eingesetzt.

Die Übertrager unterstützen mit optimierten Übersetzungsverhältnissen sowohl Halbbrücken- als auch Gegentaktwandler (Push-Pull) mit einer typischen Schaltfrequenz von 100 bis 400 kHz. Diese Bauelemente sind auf Rollen erhältlich, um eine einfache Montage in Produktionsumgebungen mit hohen Stückzahlen zu gewährleisten.

Unter der Bestellnummer B82804X1 ist ein Musterkit ist erhältlich, das sechs Übertrager jeder Version enthält.