Die TDK Corporation hat mit der MT40-Serie eine neue Generation von Überspannungsschutz-Bauelementen (Surge Protection Components, SPC) vorgestellt. Die ThermoFuse-Varistoren (Bestellnummer B72240M) kombinieren ein kompaktes Design mit umfassenden Sicherheitsfunktionen. Dank ihrer patentierten umspritzten Bauweise und des integrierten thermischen Abschaltsystems bieten diese SPCs einen robusten Schutz bis zu 50 kA bei minimaler Baugröße (38,0 x 15,2 x 40,9 mm³, L x B x H). Daher kommt die MT40-Serie häufig in Invertern, in Stromversorgungen für industrielle Anwendungen, in der Lichttechnik, in Systemen der Telekommunikation und in Überspannungsableitern (Surge Protection Devices, SPDs) zum Einsatz.

Entwickelt für extreme elektrische Bedingungen, verfügt die MT40-Serie über eine maximale Stoßstromfestigkeit von bis zu 50 kA (8/20-μs-Impuls) sowie im Kurzschlussfall von bis zu 200 kA. Als Baugruppe ist die Serie gemäß UL 1449 Typ 1CA anerkannt und für den Einsatz in Anwendungen mit Wechselspannungen von 150 V bis 550 V sowie Gleichspannungen von 200 V bis 750 V ausgelegt. Zusätzliche Funktionen wie ein galvanisch isolierter, normalerweise offener Mikroschalter für die Fernüberwachung sowie eine optionale optische Anzeige erleichtern sowohl die Integration ins System als auch die Betriebssicherheit. Die Produkte dieser Serie arbeiten in einem Temperaturbereich von -40 °C bis +85 °C.

Um nachhaltige Entwicklungskonzepte zu unterstützen und das ökologische Engagement von TDK zu unterstreichen, ist die MT40-Serie mit einer flammhemmenden Epoxid-Beschichtung umkapselt. Die RoHS-Konformität und die Verwendung bleifreier Materialien vervollständigen das umweltbewusste Konzept und gewährleisten gleichzeitig eine hohe Zuverlässigkeit unter anspruchsvollen Einsatzbedingungen. Durch die Verbindung von Innovation, Sicherheit und Nachhaltigkeit stellen die MT40-ThermoFuse-Varistoren eine kompakte, zukunftssichere Lösung für Industrie- und Kommunikationssysteme der nächsten Generation dar.

Die TDK Corporation hat ihre AC-Folien-Kondensatoren der Sicherheitsklasse X2 um die neue Serie B3292xU/V für höhere Spannungen erweitert, die nun in kompakten Rastermaßen von 15 mm und 22,5 mm mit Kapazitätswerten von 47 nF bis 1,8 µF erhältlich ist. Mit einer Nennspannung von 350 V (AC) und robuster Belastbarkeit gegenüber Spannungsspitzen von bis zu 2,5 kV (IEC 60384-14) ist die Serie für die Entstörung in anspruchsvollen, platzbeschränkten industriellen und automobilen Umgebungen in Serienschaltung mit dem Stromnetz ausgelegt. Typische Anwendungen sind On-Board-Ladegeräte, EV-Ladesysteme, PV-Wechselrichter, Energiezähler und kapazitive Stromversorgungen.

Damit deckt die gesamte Serie ab sofort Rastermaße von 15 mm bis 52,5 mm sowie Kapazitätswerte von 47 nF bis 20 µF ab. Die Kondensatoren bestehen den THB-Test (Temperature, Humidity, Bias) über 1.000 Stunden bei +85 °C, 85% r. F. und Nennspannung, sodass sie die Anforderungen der Klasse III, Testbedingung B, erfüllen. Darüber hinaus ist die Serie AEC-Q200-konform und zeichnet sich durch gute Selbstheilungseigenschaften und eine maximale Betriebstemperatur von +110 °C aus. Somit bewährt sie sich auch unter rauen Einsatzbedingungen.

Mit ihren kompakten Abmessungen und ihrer hohen DC-Prüfspannung (1505 V für 2 s) bietet die Serie B3292xU/V eine Lösung, die Leistungsfähigkeit und geringe Abmessungen für industrielle Antriebe und Leistungselektronik der nächsten Generation in der Automobilindustrie bestmöglich aufeinander abstimmt. Damit trägt sie dem wachsenden Bedarf an effizienten und platzsparenden Lösungen zur Funkentstörung Rechnung.

Für die Serie B3292xU/V stellt TDK verschiedene Design-Tools sowie SPICE-Modelle zur Verfügung.

Die TDK Corporation präsentiert die neuen Aluminium-Elektrolyt-Kondensatoren der Serien B43655 und B43656, die speziell für DC-Links in On-Board-Ladegeräten (On-board Charger, OBC) von Elektrofahrzeugen konzipiert wurden. Beide Serien sind für Zwangskühlung optimiert und unterstützen den Trend zu höheren Spannungen und Strömen in OBC-Plattformen der nächsten Generation. Aufgrund ihrer kompakten Bauweise und hohen Ripplestrom-Festigkeit kommen solche Bauelemente häufig in Anwendungen zum Einsatz, die maximale Effizienz und Zuverlässigkeit auf engstem Raum erfordern.  

Mit Nennspannungen von 475 V und 500 V sowie Kapazitäten von 110 µF bis 880 µF erfüllt die Serie B43655 die Anforderungen moderner 800-V-Batterie-Architekturen im Bereich der Elektromobilität. Die Bauelemente wurden für die Sockelkühlung und eine hohe Ripplestrom-Dichte entwickelt. Sie bieten eine Lebensdauer von mehr als 3.000 Stunden bei +105 °C. Sie zeichnen sich außerdem durch einen maximalen Ripplestrom von 3,29 A bei +105 °C sowie ESR-Werte von bis zu 100 mΩ aus und minimieren so Leistungsverluste. Die Serie B43656 erreicht eine noch höhere Strombelastbarkeit von 4,42 A bei +105 °C bei einer Nennspannung von 450 V für anspruchsvolle OBC-Topologien mit hoher Leistung. 

Beide Serien sind nach AEC-Q200 Rev. E qualifiziert und werden aus RoHS-konformen Materialien gefertigt. Sie sind in kompakten Snap-in-Ausführungen mit Durchmessern von 22 mm bis 35 mm und Längen von 25 mm bis 60 mm erhältlich – abhängig von Kapazitäts- und Spannungsklasse. Dank ihrer verbesserten elektrischen Leistung und Zuverlässigkeit bieten die Kondensatoren der Serien B43655 und B43656 Entwicklern robuste, zukunftsfähige Lösungen für On-Board-Ladegeräte in Elektrofahrzeugen. 

Die neuen Serien B43655 und B43656 werden auch in das webbasierte Tool AlCap Lebensdauerberechnung von TDK eingebunden. 

TDK Corporation führt die B3271xP-Serie von DC-Link-Folien-Kondensatoren ein, die auch bei anspruchsvollen Anwendungen in der Automobil- und Industrie-Leistungselektronik thermisch belastbar bleiben. Mit einer maximalen Betriebstemperatur von +125 °C und ohne Derating bis +105 °C bleibt die Kapazität stabil und die Energie wird zuverlässig gepuffert, auch wenn der Platz im Wechselrichter knapp ist. Das ist besonders wichtig für xEV-Traktionswechselrichter, Onboard-Ladegeräte und DC-DC-Wandler, die oft bei hohen Temperaturen und dauerhaften Wechselstromlasten operieren.

Die Serie B3271xP deckt Kapazitäten von 0,47 µF bis 110 µF und Nenn-Gleichspannungen von 600 V bis 1.200 V ab. Zusammen mit den kleinen Abmessungen helfen die Bauelemente dabei, Frequenzumrichter, leistungsstarke industrielle Stromversorgungen und Solarwechselrichter flexibel zu gestalten. Das Polypropylen-Dielektrikum (MKP) zeichnet sich durch inhärent geringe Verluste, eine hohe Ripplestrom-Belastbarkeit und eine ausgezeichnete Selbstheilung aus. So bleibt der Wirkungsgrad hoch und das System läuft auch unter schwierigen elektrischen Bedingungen eine lange Lebensdauer.

Die Bauelemente sind mit einem flammhemmenden Kunststoffgehäuse und Epoxidversiegelung (UL 94 V-0) ausgestattet. Zur Auswahl stehen Rastermaße von 27,5 mm, 37,5 mm und 52,5 mm sowie 2-polige oder auf Anfrage auch 4-polige Anschlusskonfigurationen, um die mechanische Stabilität zu verbessern und niederinduktive Layouts zu ermöglichen. Typische ESR-Werte im einstelligen Milliohm-Bereich und eine hohe Strombelastbarkeit bei 10 kHz sorgen für eine robuste DC-Link-Filterung und einen geringeren Temperaturanstieg.

Die B3271xP-Serie ist nach AEC-Q200E und UL 810 (Aufbau) zertifiziert. Damit ist sie sowohl für Automotive- als auch Industrie-Anwendungen geeignet. Dank der Kombination aus hoher Temperaturbeständigkeit, großer elektrischer Leistungsfähigkeit und kompakten Abmessungen können Ingenieure ihre Umrichterdesigns hinsichtlich Effizienz, Zuverlässigkeit und Langlebigkeit optimieren.

Für die B3271xP-Serie bietet TDK verschiedene SPICE-Modellbibliotheken und das webbasierte Tool Capacitor Life And Rating Application (CLARA) an.

• Das µPOL-Modul F1525 liefert jeweils 25 A, im Verbund mit mehreren Einheiten bis zu 200 A, und zeichnet sich durch eine kompakte Bauweise und geringe Höhe für Vertical Power Delivery aus.

• Es reagiert ultraschnell auf Lastwechsel, weist eine extrem geringe Brummspannung auf und hat ein geringes Spektralrauschen.

• MOSFETs, Induktivitäten und Regelung sind in einer thermisch optimierten 3D-Struktur mit analogen und digitalen Schnittstellen integriert.

Die TDK Corporation hat ihre µPOL-Familie nicht isolierter DC-DC-Leistungsmodule um das Modell FS1525 erweitert. Der nur 3,82 mm hohe Point-of-Load-Wandler (PoL) liefert bis zu 25 A und wurde entwickelt, um die anspruchsvollen Anforderungen von KI-Servern, Edge-Computing und Rechenzentren zu erfüllen. Durch Stacking oder Parallelschaltung mehrerer FS1525-Module lassen sich insgesamt 200 A in Vertical-Power-Delivery-Designs bereitstellen. Vertical Power Delivery ist ein neuartiger Ansatz, bei dem die PoL-Wandler direkt unter dem FPGA/SoC oder ASIC auf der Rückseite der Leiterplatte platziert werden.

Das Modul FS1525 nutzt die moderne 3D-Chip-Embedded-Package-Technologie, um alle wichtigen Komponenten – einschließlich Controller, Treiber, MOSFETs, digitalem Kern, Speicherbänken, Bypass-Kondensatoren und Leistungsinduktivität – in einem einzigen Gehäuse mit einer Grundfläche von 7,65 x 6,80 mm (L x B) zu integrieren. Durch den optimierten Aufbau mit einer thermischen Impedanz von 1,4 K/W übertrifft die Strombelastbarkeit des Moduls herkömmliche Lösungen bei hohen Umgebungstemperaturen. Dies vereinfacht den Leiterplattenaufbau und ist die Grundlage für hochdichte Stromversorgungsarchitekturen.

Bei einer Eingangsspannung von 4,5 V bis 16 V und einer einstellbaren Ausgangsspannung von 0,6 V bis 1,8 V versorgt das FS1525 moderne Low-Voltage-KI-Prozessoren mit Strom. Dazu zählen die Core-Spannung von 3-nm- bis 6-nm-ASICs sowie SERDES-Schienen mit einer Ripple-Spannung von weniger als 5 mV (Spitze-Spitze). Aufgrund seines geringen spektralen Rauschens eignet sich das Modul besonders für DSPs, bildgebende Verfahren und moderne automatisierte Testausrüstung (Automated Test Equipment, ATE). Das neue µPOL lässt sich auf bis zu 200 A skalieren und ist für Vertical-Power-Delivery-Architekturen ausgelegt. Es verbessert die thermische Leistung und nutzt den Platz auf der Platine optimal aus.

Das FS1525 reagiert schnell auf Lastschwankungen, erzeugt nur eine geringe Brummspannung und verfügt über eine echte differentielle Remote-Sensing-Funktion, um die Spannung an der Last präzise zu regeln. Dank der digitalen Programmierbarkeit über I²C und PM Bus sind Echtzeit-Telemetrie, adaptive Anpassung und Fehlermanagement möglich, um Spannung, Strom und Temperatur zu überwachen – ein entscheidender Faktor für dynamische KI-Workloads. Darüber hinaus kann das Modul seine Ausgangsspannung analog anpassen, um führende FPGAs/SoCs und ASICs einschließlich erweiterter Funktionen wie Altera SmartVID für die FPGA-Serie Agilex™ zu unterstützen.

Das neue µPOL-Modul lässt sich nahtlos in moderne Formfaktoren wie PCIe, VPX, SMARC sowie 1-HE- bis 3-HE-Racksysteme integrieren, was Systemdesignern eine hohe Flexibilität bietet. µPOL-Module sind bereits in bewährten Designs für FPGA/SoCs wie Altera Agilex™, AMD Versal™ Edge und AMD-Xilinx-Plattformen im Einsatz, darunter Zynq UltraScale+ MPSoC und Versal ACAP. Letztere sind in KI- und Machine-Learning-Anwendungen weit verbreitet.

Als Teil des umfassenden µPOL-Portfolios von TDK, das von 1 A bis 200 A reicht, stellt das FS1525 eine einheitliche Systemlösung für die Stromversorgung dar. Dank Plug-and-Play-Kompatibilität und ohne externe Regelung lassen sich Entwicklungszyklen beschleunigen, die Designkomplexität reduzieren und die Gesamtsystemkosten senken. Das FS1525 ist jedoch mehr als nur ein Leistungsmodul: Es ist ein Komplettsystem für die Stromversorgung, das die Zukunft des intelligenten Computing vorantreiben soll. Evaluierungsboards für 25 A und 50 A sind bei DigiKey und Mouser vorrätig. Auf Anfrage sind Boards für 100 A und 200 A erhältlich.

Unterstützung für ein einfaches Design

• Schaltpläne und Leiterplattenlayout des FS1525 Starter Design unter Ultra Librarian: 
  www.ultralibrarian.com/partners/tdk keyboard_arrow_right

• SIMPLIS-Modell und PDN-Bibliotheken zum FS1525 für führende FPGAs/SoCs: 
  www.us.tdk.com/news_center/upol/index.php keyboard_arrow_right

• FS1525 Evaluierungsboards mit 25 A, 50 A, 100 A oder 200 A

Versal ist eine eingetragene Marke von AMD.

Agilex ist eine eingetragene Marke von Altera.

Die TDK Corporation erweitert ihr Angebot an leistungsstarken MEMS-Trägheitssensoren um den Tronics AXO315^®T1. Hierbei handelt es sich um einen Beschleunigungsmesser, der Temperaturen bis zu +175 °C standhält und einen Eingangsbereich von ±14 g hat. Er verfügt über eine digitale Schnittstelle für MWD-Anwendungen (Measurement While Drilling).

Mit dieser Markteinführung vollzieht TDK den nächsten Schritt hinsichtlich Temperaturbeständigkeit. Im Juni 2025 war bereits der Tronics AXO315T0 auf den Markt gekommen, der erste digitale MEMS-Beschleunigungsmesser, der für den Einsatz im Öl- und Gassektor bei Temperaturen von bis zu +150 °C zugelassen ist. Damit festigt das Unternehmen seine Position als führender Anbieter hochzuverlässiger MEMS-Trägheitssensoren, mit denen sich Bohrlöcher in extremen Umgebungen präzise führen lassen.

Der AXO315T1 basiert auf der einzigartigen Closed-Loop-Architektur von TDK, die sich bereits mehrfach in Sensoren von Tronics bewährt hat. Durch den geschlossenen Regelkreis lässt sich der Fehler bei der Vibrationskorrektur im Vergleich zu herkömmlichen MEMS-Beschleunigungsmessern mit offenem Regelkreis (open Loop) um das Zehnfache reduzieren. Das Bauelement stellt eine kostengünstige, digitale und SWaP-arme (Size, Weight, and Power) Alternative zu Quarz-Beschleunigungsmessern für die Neigungsmessung in Richtbohrwerkzeugen dar, die unter widrigen Temperatur- und Vibrationsbedingungen eingesetzt werden.

Mit einer Lebensdauer von mehr als 1.000 Stunden bei +175 °C ebnet dieses Produkt den Weg für eine neue Generation von MWD-Werkzeugen, welche die Anforderungen an Genauigkeit und Produktivität komplexer und unkonventioneller Bohrvorgänge erfüllen.

AXO315T1-Sensoren und Evaluierungsboards stehen für Muster und Kundenbewertungen zur Verfügung.

Moderne Konverter brauchen Bauteile, die extreme Hitze und elektrische Belastung aushalten. Polypropylen-Kondensatoren stoßen dabei an ihre thermischen Grenzen, denn dieses Dielektrikum ist hinsichtlich seiner thermischen Leistungsfähigkeit limitiert. TDK hat ein neues Dielektrikum entwickelt: eine Mischung aus Polypropylen und cyclischem Olefin-Copolymer. Im ModCap UHP arbeitet es bei 25 K höheren Temperaturen – optimal für SiC- und GaN-basierte Systeme in den Bereichen erneuerbare Energien, Mobilität und industrielle Antriebe.

Neue Halbleiter treiben die Leistungselektronik voran. Sie schrumpfen Konverter und steigern deren Effizienz. Doch sie fordern auch mehr von allen anderen Bauteilen. Im Mittelpunkt dieser Entwicklung stehen Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN), also Halbleiter mit großer Bandlücke (Wide Bandgap, WBG). Sie schalten schneller, verlieren weniger Energie und halten mehr Hitze aus. So entstehen kompaktere Konverter, die auch bei höheren Temperaturen arbeiten. Um diese Vorteile voll zu nutzen, müssen auch die Kondensatoren besser werden (Abb. 1).

Abbildung 1:

Neue Anforderungen an Kondensatoren wegen neuer Merkmale von Halbleitern.

Für gutes Transientenverhalten braucht der Kondensator eine extrem niedrige Ersatzserieninduktivität (ESL). Ein niedriger Ersatzserienwiderstand (ESR), stabil über alle Frequenzen, hält die Verluste gering - auch bei hohen Schaltfrequenzen. Dabei spielt der innere Aufbau des Kondensators eine wichtige Rolle. Denn parasitäre Effekte wie der Skin-Effekt, Resonanzen im Inneren und eine inhomogene Stromverteilung können den ESR erhöhen und den Wirkungsgrad verringern.

Das Wärmemanagement wird immer wichtiger. Denn um die Schleifeninduktivität zu senken, montieren Entwickler Kondensatoren nahe an den Leistungshalbleitern. Dort müssen sie die Abwärme der Module verkraften. Sanftere Kühlsysteme und höhere Sperrschichttemperaturen der Halbleiter verstärken die thermische Beanspruchung. Entsprechend müssen Kondensatoren bei höheren Temperaturen und Stromdichten zuverlässig funktionieren, ohne an Lebensdauer einzubüßen.

Dieser Beitrag erläutert, wie TDK diese Herausforderungen gemeistert hat: Es entwickelte ein neues, hochtemperaturbeständiges Dielektrikum und integrierte es in die neueste Generation modularer DC-Link-Kondensatoren, die Serie ModCap UHP.

Neues Polymer für höhere Temperaturen

TDK arbeitete jahrelang mit Industriepartnern zusammen und entwickelte ein neuartiges Dielektrikum-Folienmaterial für höhere Betriebstemperaturen. Aufbauend auf früheren Entwicklungen zu Mischungen aus Polypropylen-Cyclo-Olefin-Copolymer (PP-COC) haben Borealis und TOPAS Advanced Polymers kürzlich ein Polymer namens Stelora™ EPN vorgestellt.

EPN (Ethylen-Propylen-Norbornene) ist eine Mischung aus zwei Materialien:

• Polypropylen (PP): ein bewährtes, leicht zu verarbeitendes Dielektrikum
• Zyklisches Olefin-Copolymer (COC): ein Dielektrikum mit höherer Temperaturbeständigkeit

Aus COC allein lässt sich nicht zu einer Folie umformen. Zusammen mit PP jedoch erhält man ein Material, das sich wie PP verarbeiten lässt und gleichzeitig die Hochtemperaturfestigkeit von COC aufweist.

Abbildung 2:

Derating-Kurven für die elektrische Feldstärke über die Temperatur für BOEPN- und BOPP-Kondensatoren. (Quelle: [4])

Biaxial orientierte EPN-Folien (BOEPN) leisten viel. Bei mittleren Temperaturen heilen sie genauso gut wie herkömmliche, biaxial orientierte Polypropylen-Folie (BOPP) und erreichen die gleiche Durchschlagsfestigkeit und Kapazitätsdichte. Bei höheren Temperaturen übertreffen BOEPN-Folien BOPP-Folien deutlich. Selbst bei beschleunigten Lebensdauertests (Accelerated Lifetime Test, ALT) bewahren BOEPN-Folien ihre gute Selbstheilfähigkeit, einen geringeren Leckstrom und eine höhere Durchschlagsfestigkeit. Dadurch wird verhindert, dass die Bauelemente unter Belastung durch Gleichspannung thermisch durchgehen, und es wird sichergestellt, dass sie auch bei erhöhten Temperaturen eine hervorragende Robustheit aufweisen.

In Folien-Kondensatoren verbessert BOEPN das Alterungsverhalten und die Zuverlässigkeit deutlich (Abb. 2). Tests bei +125 °C zeigen, dass Kondensatoren auf BOPP-Basis schneller altern. Ihre Kapazität nimmt ab, der Verlustfaktor (tan δ) steigt und der Isolationswiderstand sinkt. Dadurch steigt der Ableitstrom und das Risiko eines thermischen Versagens nimmt zu. Anders verhält es sich bei Kondensatoren auf BOEPN-Basis: Dort steigt der tan δ nur langsam, was in erster Linie auf eine geringe Elektrodenoxidation zurückzuführen ist.

Zahlreiche Dauertests bestätigen diesen Vorzug. Wie in Abbildung 3 dargestellt, halten Kondensatoren mit BOEPN bei über +85 °C höheren elektrischen Feldern stand. Dadurch erhöht sich die Kapazitätsdichte, ohne dass ein Derating erforderlich ist oder sich die Lebensdauer verkürzt. Ein optimiertes Kondensator-Design in Kombination mit BOEPN als Bestandteil der ModCap-Serie ermöglicht eine weitere Erhöhung des elektrischen Feldes. Dadurch steigen die Leistungsdichte und die thermische Stabilität bei Stromrichtern der nächsten Generation.
 

Abbildung 3:

Änderung der elektrischen Charakteristika von Kondensatoren auf Basis von BOPP und BOEPN (1 μF, 10 Stück pro Gruppe) über die Zeit bei +125 ºC: Links: Änderung der Kapazität bei 1 kHz, Mitte: tan δ bei 1 kHz; rechts: Isolationswiderstand nach 10 s bei 500 V. (Quelle: [4])

ModCap UHP – ein neuartiger Folien-Kondensator für höhere Temperaturen

Seit langem ist ModCap HF (B25647) von TDK mit BOPP als Dielektrikum eine Standardlösung für moderne DC-Link-Kondensatoren, die zusammen mit modernsten Halbleitern eingesetzt werden. Darauf aufbauend hat TDK nun den ModCap UHP (B25648) mit BOEPN als Dielektrikum eingeführt. Dadurch können Umrichter bei höheren Temperaturen und höheren Stromdichten arbeiten, ohne Derating und ohne das mechanische Design verändern zu müssen. TDK entwickelte ModCap UHP für anspruchsvolle Anwendungen mit hoher Leistungsdichte, extremer Kühlung und hohen Temperaturen – Bereiche, in denen ModCap HF an seine Grenzen stoßen könnte. Typische Anwendungen sind Energiespeichersysteme (ESS), PV-Zentralwechselrichter, Elektrolyseure, leistungsstarke DC/DC-Konverter und Hilfsantriebe mit SiC-Halbleitern.
 

Abbildung 4:

Zeichnung und Beschaltung des ModCap UHP. (Quelle: [7])

Sowohl ModCap HF als auch ModCap UHP basieren auf demselben modularen Konzept, haben das gleiche Anschlusslayout und die gleichen Außenabmessungen. Dadurch sind sie mechanisch kompatibel und weisen eine hohe elektromagnetische Verträglichkeit auf (siehe Abb. 4). Beide haben eine extrem kleine Induktivität (ESL ≈ 8 nH), um schnelle Transienten zu handhaben, sowie einen niedrigen ESR-Wert über einen großen Frequenzbereich. Zudem kommt ISCC-zertifiziertes bio-zirkuläres Polypropylen zum Einsatz. Beide bieten die gleichen Kapazitätswerte, eine hohe Spannungsfestigkeit und eine lange Lebensdauer von 200.000 Stunden bei Nennspannung und -temperatur.

ModCap UHP geht jedoch noch einen Schritt weiter:

• Eine um bis zu 21% höhere Stromdichte bedeutet eine um bis zu 45% höhere Leistungsdichte des Wandlers bei gleicher Grundfläche.
• Eine Erhöhung der Nenn-Betriebstemperatur von +80 °C auf +105 °C ohne Spannungs- oder Lebensdauerreduzierung.
   

Abbildung 5:

Im Gegensatz zum ModCap HF (links) verändert sich die Kapazität beim ModCap UHP (rechts) kaum über die Zeit und die Temperatur. (Quelle: [2])

Abbildung 6:

Durchschnittliche Betriebslebensdauer des ModCap UHP. (Quelle: [7])

Aus diesem Grund ist ModCap UHP immer dann die erste Wahl, wenn Konverter unter erschwerten thermischen Bedingungen – sei es aufgrund weniger leistungsfähiger Kühlsysteme oder eines zusätzlichen Wärmeeintrags von benachbarten Halbleitern – eine höhere Ausgangsleistung liefern müssen.

Tests, die über die Normen IEC 61071:2017 und IEC 61881-1:2010 hinausgehen, haben bestätigt, dass ModCap UHP bei +105 °C ein ähnliches Alterungsverhalten aufweist wie ModCap HF bei +80 °C. Dies belegt die hervorragende Stabilität und Robustheit des ModCap UHP im Betrieb bei erhöhten Temperaturen (Abb. 5 und 6).

Derzeit ist der ModCap UHP für Nennspannungen von 1350 V bis 1800 V erhältlich. Die wichtigsten elektrischen Parameter sind in Tabelle 1 aufgeführt. Derzeit wird daran gearbeitet, die Serie nach unten auf 900 V und nach oben auf 2000 V zu erweitern.

Faktencheck – ModCap HF vs. ModCap UHP

Um die tatsächlichen Vorteile zu verifizieren, die sich aus dem Wechsel von BOPP (ModCap HF) zu BOEPN (ModCap UHP) als Dielektrikum ergeben, untersuchte TDK in einer detaillierten Fallstudie eine leistungsstarke DC-Link-Applikation. Ziel war es, zu beurteilen, inwieweit sich die höhere Bemessungstemperatur (+25 K) und die höhere Stromdichte (+21%) der BOEPN-Folie tatsächlich positiv auf Leistung, Volumen und Lebensdauer auswirken.

Bei dem vorliegenden Umrichter handelt es sich um eine typische Hochleistungsanwendung mit den folgenden wichtigsten Anforderungen:

• DC-Link-Spannung: 1600 V
• Gesamtkapazität: ≥ 1850 µF
• Effektivwert des Stroms: 570 A
• Umgebungstemperatur: +75 °C
• Temperatur an den Anschlüssen des Leistungsmoduls: +95 °C
• Betriebslebensdauer des DC-Links: ≥ 200.000 h

Auf Grundlage dieser Vorgaben wurden zwei DC-Link-Konfigurationen evaluiert: eine mit ModCap HF und eine mit ModCap UHP.

ModCap-HF-Lösung

Laut Datenblatt des ModCap HF [8] eignet sich der B25647A1647K003 mit 1600 V, 640 µF und 160 A als Ausgangspunkt. Um die erforderliche Gesamtkapazität von ≥ 1850 µF zu erreichen, würden aus elektrischer Sicht drei parallel geschaltete Kondensatoren ausreichen. Allerdings würde der Effektivwert des Stroms nur 480 A (3 x 160 A) betragen und somit unterhalb der geforderten 570 A liegen. Daher sind mindestens vier parallel geschaltete Bauelemente erforderlich, um den Anforderungen hinsichtlich Strom und Kapazität gerecht zu werden.

Da diese Konfiguration jedoch eher durch den Strom als durch die Kapazität begrenzt ist, bietet die Variante B25647A11477K003 mit 1800 V, 470 µF und 150 A eine stabilere Marge hinsichtlich der Lebensdauer. Somit hat der resultierende DC-Link ein Gesamtvolumen von 15,4 dm³.

Um das Temperaturverhalten und die zu erwartende Lebensdauer einzuschätzen, wurden FEM-Simulationen (Finite-Elemente-Methode) durchgeführt. Dabei wurden die thermischen Randbedingungen (Umgebungstemperatur, Kühlbedingungen und die vom Leistungsmodul abgegebene Wärme) sowie das gesamte Amplitudenspektrum des Stroms über die Frequenz und die elektromagnetischen Effekte auf den inneren Aufbau des Kondensators berücksichtigt.

Abbildung 7:

FEM-Simulation mit denselben Anforderungen an die Kapazität, Spannung und Strom. ModCap HF (links), ModCap UHP (rechts). Quelle: [2]

Den Ergebnissen der FEM-Berechnungen zufolge liegt die maximale Temperatur im Inneren des Kondensators bei +96 °C. Ursache hierfür sind Eigenerwärmung und Wärmeleitung von den Anschlüssen des Leistungsmoduls (Abb. 7). Da dieser Wert höher ist als die Derating-Temperatur des ModCap HF von +80 °C, würde die Lebensdauer unter 200.000 Stunden liegen und die Zielvorgabe somit nicht erfüllen.

Um die Lebensdauer und die thermische Reserve zu wahren, müssten fünf Kondensatoren parallelgeschaltet werden. Diese Lösung würde Folgendes bieten:

• Zwischenkreisspannung: 1800 V > 1600 V
• Kapazität: 2350 µF > 1850 µF
• Effektivwert des Stroms: 750 A > 570 A
• Volumen des DC-Links: 19,3 dm³

Auch wenn dies technisch gangbar ist, steigen dadurch sowohl die Baugröße als auch die Kosten erheblich.

ModCap-UHP-Lösung

Das Gegenstück aus der neuen ModCap-UHP-Serie für dasselbe 1600-V-System ist der B25648A1647K003 mit 1600 V, 640 µF und 190 A [7]. Dieses Bauelement bietet die gleichen Werte bei Spannung, Kapazität und Abmessungen wie der ModCap HF. Allerdings liegt der Bemessungsstrom um 19% höher und die Bemessungstemperatur um 25 K höher (+105 °C gegenüber +80 °C).

Mit drei parallelgeschalteten Kondensatoren lassen sich alle Anforderungen der Anwendung erfüllen:

• DC-Link-Spannung: 1600 V = 1600 V
• Kapazität: 1880 µF > 1850 µF
• Effektivwert des Stroms: 570 A = 570 A
• Volumen des DC-Links: 11,5 dm³

Im Vergleich zum Design mit ModCap HF schrumpft das Gesamtvolumen des DC-Links um 40%.

Thermische FEM-Simulationen unter identischen Randbedingungen ergaben eine Höchsttemperatur im Inneren von +104,8 °C, also knapp unterhalb der Bemessungstemperatur von +105 °C. Somit erreicht das Design mit ModCap UHP die volle Lebensdauer von 200.000 Stunden ohne Derating, auch bei erhöhter thermischer Belastung.

Zusammenfassung und Schlussfolgerungen

Dieser Vergleich zeigt, dass für die betrachtete DC-Link-Lösung mit hoher Stromdichte nur drei BOEPN-basierte Kondensatoren anstelle von fünf BOPP-basierten Bauelementen erforderlich sind. Grund dafür sind die höhere Strom- und Leistungsdichte sowie die erhöhte Bemessungstemperatur der ModCap-UHP-Serie.

Abbildung 8:

DC-Link-Lösung für die gleichen Anforderungen hinsichtlich Kapazität, Spannung, Strom und thermischer Lebensdauer. Zu sehen sind die Lösung mit ModCap HF (links) und die Lösung mit ModCap UHP (rechts). Quelle: [2]

Wie in Tabelle 2 und Abbildung 8 dargestellt, bietet die Lösung mit ModCap UHP folgende Vorteile:

• 40% kleinere Abmessungen des DC-Links dank einer um 19 % höheren Stromdichte und einer um 25 K höheren Bemessungstemperatur.
• 25% niedrigere Bauelemente-Kosten, ungeachtet der zusätzlichen Einsparungen durch eine kleinere externe Sammelschiene (Busbar).
   

Zusammengefasst bieten Folien-Kondensatoren aus BOEPN für Anwendungen mit hohen Anforderungen an Strom, Temperatur und Lebensdauer, wie sie beispielsweise bei hochmodernen Leistungsmodulen üblich sind, ein kompakteres und kostengünstigeres DC-Link-Konzept als herkömmliche BOPP-Lösungen

Bei Designs mit hoher Leistungsdichte wie der betrachteten Anwendung sind die maßgeblichen Parameter des DC-Links die Stromdichte, das Wärmemanagement und die Lebensdauer. ModCap UHP verbindet diese Anforderungen optimal und bietet damit eine robuste und platzsparende Lösung für Stromrichter der nächsten Generation, die auf neuesten Halbleitertechnologien basieren.

Referenzen

[1] M. Gómez, "Innovative film capacitor technologies for wide band-gap semiconductors," IEEE PSMA Capacitor Committee Workshop 2020

[2] F. Rodríguez, "High Temperature Capacitors for Medium Voltage Applications with New WBG Semiconductors", ECPE Hybrid Workshop, Medium Voltage Power Electronics, Freiburg, Germany, 2025.

[3] C. Alba, D. Peláez, and L. Cabo, "High-Temperature Metallized Polymer Film Capacitors Based on Blends of Polypropylene and Cyclic Olefin Copolymers," 2020 IEEE 3rd International Conference on Dielectrics (ICD), Valencia, Spain, 2020, pp. 669-672, doi: 10.1109/ICD46958.2020.9342006.

[4] U. Wahner and C. Alba, "Polymers in Film Capacitors - The Next Generation Material is available!," PCIM Europe 2023; International Exhibition and Conference for Power Electronics, Intelligent Motion, Renewable Energy and Energy Management, Nuremberg, Germany, 2023, pp. 1-8, doi: 10.30420/566091018.

[5] IEC 61071:2017 Capacitors for power electronics

[6] IEC 61881-1:2010 Railway applications - Rolling stock equipment - Capacitors for power electronics - Part 1: Paper/plastic film capacitors

[7] ModCap UHP Datasheet, 2025, https://www.tdk-electronics.tdk.com/inf/20/50/ds/ModCap_UHP_B25648.pdf

[8] ModCap HF Datasheet, 2025, https://www.tdk-electronics.tdk.com/inf/20/50/ds/B25647_ModCap_HF.pdf