• Neues 100-V-Bauelement mit 1 μF für kommerzielle Anwendungen in der Gehäusegröße 1608
• Beitrag zur Reduzierung der Bauelemente-Anzahl und zur Miniaturisierung von Geräten

Die TDK Corporation hat ihre C-Serie an Keramik-Vielschichtkondensatoren (MLCCs) für kommerzielle Anwendungen um ein Modell mit 1 µF bei 100 V in der Baugröße 1608 (1,6 x 0,8 x 0,8 mm³ – L x B x H) erweitert. Dies ist die branchenweit höchste Kapazität* für ein 100-V-Bauelement in dieser Baugröße und der Temperaturcharakteristik X7R. Die Serienproduktion begann im Juni 2025.

In den vergangenen Jahren haben sich 48-V-Systeme zunehmend für KI-Server, Energiespeicherungssysteme und ein breites Spektrum an Industrieausrüstung durchgesetzt. Ziel ist es, den Wirkungsgrad der Systeme zu verbessern und Leistungsverluste zu reduzieren. Dadurch steigt wiederum die Nachfrage nach Bauelementen mit einer Nennspannung von 100 V, die als Kondensatoren in stromführenden Leitungen eingesetzt werden.

Dank optimierter Materialauswahl und verbessertem Produktentstehungsprozess erreicht dieses neue 100-V-Bauelement die zehnfache Kapazität herkömmlicher Produkte derselben Baugröße. Dadurch sinkt die Anzahl der erforderlichen MLCCs und die benötigte Montagefläche. Dies wiederum trägt dazu bei, die Anzahl an Bauelementen insgesamt zu verringern und die Miniaturisierung von Geräten voranzutreiben. TDK wird sein Produktangebot weiter ausbauen, um den Anforderungen seiner Kunden gerecht zu werden.

*Stand: Juni 2025 laut Studien von TDK
 

Die TDK Corporation hat ihr Angebot an MEMS-Inertialsensoren um den Tronics AXO315^®T0 erweitert. Dieser Hochtemperatur-Beschleunigungsmesser mit einem Eingangsbereich von ±14 g und digitaler Schnittstelle ist für Messungen während des Bohrvorgangs (Measure While Drilling, MWD) beim Einsatz im Energiesektor konzipiert. 

Dank des geschlossenen Regelkreises, der einen bislang beispiellosen Vibrationsausgleich und Robustheit gegen Stöße während des Betriebs bietet, weist der AXO315T0 einen Restfehler von nur 0,8 mg über den gesamten Betriebstemperaturbereich von -30 °C bis +150 °C auf. Dadurch lässt sich die Neigung von Richtbohrwerkzeugen, die hohen Temperaturen ausgesetzt sind, präzise und kontinuierlich messen. 

Um die hohen Anforderungen an die Zuverlässigkeit zu erfüllen und die Produktivität komplexer Bohrvorgänge in rauen Umgebungen zu maximieren, hat TDK den AXO315T0 umfangreichen Zuverlässigkeitstests unterzogen. Dies umfasst einen Lebensdauertest über mehr als 1000 Stunden bei +165 °C, Temperaturwechselzyklen von  
-55 °C bis +165 °C sowie Hochtemperatur-Schwingtests (20 g RMS-Schwingung kombiniert mit einem Sinus-Sweep von 50 g). 

Mit einer typischen Bias-Drift von weniger als 1 mg ohne Neukalibrierung nach 1000 Stunden bei hohen Temperaturen ist der AXO315T0 eine digitale und SWaP-arme Alternative (Size, Weight, and Power) zu herkömmlichen quarzbasierten Beschleunigungsmessern. Dies kann den Weg für eine neue Generation von MWD-Werkzeugen ebnen, die über lange Zeiträume bei hohen Temperaturen ohne Leistungseinbußen arbeiten können. 

Für Muster und kundenseitige Tests stehen die Sensoren AXO315T0 und Evaluierungsboards zur Verfügung. TDK wird ihr MEMS-Portfolio für den Energiesektor mit einem neuen Beschleunigungssensor erweitern, der Betriebstemperaturen von bis zu +175 °C standhält. 

• 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 freut sich, mit TDK SensEI edgeRX ein Produkt auf den Markt zu bringen, das einen bedeutenden Fortschritt in der Instandhaltung von Industrieanlagen darstellt und wegweisende Innovationen in das Zentrum der Zustandsüberwachung von Maschinen rückt.

edgeRX ist eine moderne Plattform, die den Zustand von Maschinen überwacht und dafür die Leistungsfähigkeit von künstlicher Intelligenz (KI) auf Sensoren am Netzwerk-Rand (Edge) nutzt. Mithilfe von KI-Algorithmen, Edge-Computing und leistungsstarken Sensoren kann edgeRX den Zustand von Maschinen in Echtzeit kontrollieren, Einblicke für die vorausschauende Wartung liefern und direkt an den Maschinen umsetzbare Warnmeldungen ausgeben.

edgeRX ist eine umfassende, sofort einsatzbereite Lösung, bei der keine umfangreiche Einrichtung oder spezielle Integration erforderlich ist. So können Betriebs- und Instandhaltungstechniker sowie Werksleiter die Funktionen zur Maschinenüberwachung schnell bereitstellen und nutzen. Da edgeRX potenzielle Probleme erkennt, bevor sie akut werden, maximiert diese Lösung die Verfügbarkeit, senkt die Wartungskosten und verbessert die Betriebseffizienz insgesamt. Damit ist sie ein unverzichtbares Werkzeug in modernen Fertigungsumgebungen.

Dank seiner langjährigen Erfahrung im Bereich Sensoren und Bauelemente ist TDK hervorragend positioniert, um die edgeRX-Plattform zu entwickeln und zu verbessern und so eine herausragende Performance und Zuverlässigkeit zu gewährleisten. Mit jahrzehntelanger Innovationskraft und Expertise ist der TDK Konzern ein weltweit führender Anbieter von elektronischen Bauelementen, Sensoren, Batterien und Materialtechnologie. Die zahlreichen bahnbrechenden Fortschritte der Unternehmensgruppe in diesen Bereichen bilden eine solide Grundlage für die Entwicklung innovativer Lösungen wie edgeRX.

Hauptmerkmale von edgeRX sind:

• Umfassende Plattform: Hochentwickelte Sensoren, Gateway, Dashboard und KI sind enthalten
• Einfache Datenerfassung: Ein hochgradig anpassungsfähiges System, das Daten automatisch erfasst
• Intelligente Erkennung: Automatische Erkennung und Kennzeichnung über mehrere Betriebsklassen hinweg
• Präzise Überwachung: Ausgereifte Methoden, die Störungen im Betrieb erkennen und klassifizieren
• Anpassbare Warnmeldungen: Empfindlichkeitsparameter wie die Häufigkeit der Erkennung von Anomalien lassen sich einstellen
• Schnelle Reaktion: Schnelle und effiziente Methoden, um bei Bedarf unverzüglich Maßnahmen zu ergreifen
• Kontinuierliche Überwachung: Echtzeit-Tracking identifiziert, prognostiziert und verhindert Leistungsabfall bzw. Ausfall
• Reibungslose Integration: Nahtlose Datenerfassung, Entwicklung und Bereitstellung von Modellen 

Gegenwärtig entwickelt sich die Überwachung von Maschinenzuständen rasant von der herkömmlichen CbM (Condition Based Monitoring) zur PdM (Predictive Maintenance) weiter. PdM nutzt fortschrittliche Technologien wie KI, IoT und Fusion von Sensordaten, um Anlagen in Echtzeit zu überwachen und Vorhersagen zu treffen, um Ausfallzeiten zu reduzieren und die Produktivität zu steigern. Jüngsten Berichten zufolge wächst der Markt für PdM rasant und dürfte im Jahr 2025 eine Größe von über 13 Milliarden US-Dollar erreichen, wobei in den nächsten fünf Jahren eine durchschnittliche jährliche Wachstumsrate (Compound Annual Growth Rate, CAGR) von 35% prognostiziert wird. Befeuert wird dieses Wachstum durch technologische Fortschritte, die Einführung von KI und den beschleunigten Einsatz von Industrie 4.0.

„Als wir uns Mitte 2024 entschlossen, TDK SensEI zu gründen, hatten wir genau solch ein innovatives Produkt im Sinn, das unser Team jetzt auf den Markt bringt. Wir sind überzeugt, dass diese Lösung einen entscheidenden Moment in der verarbeitenden Industrie markiert, da sie das perfekte Produkt ist, um alltägliche Wartungsprobleme mit einfach zu implementierender KI zu lösen“, so Noboru Saito, President und CEO der TDK Corporation.

„Um die Wartungskosten niedrig und die Produktivität hochzuhalten, ist es in der industriellen Fertigung unerlässlich, dass die Maschinen immer voll funktionsfähig sind. KI ist ein entscheidender Faktor, um dies zu erreichen, aber das produzierende Gewerbe hatte bislang Schwierigkeiten, KI zu implementieren“, so Sandeep Pandya, CEO von TDK SensEI, einem Unternehmen der TDK Gruppe. “Die edgeRX-Plattform bietet eine sofort einsatzbereite Lösung für Herausforderungen im Bereich KI und versetzt Hersteller in die Lage, die volle Maschinenleistung schneller zu erreichen. Deshalb freuen wir uns sehr, edgeRX der Industrie vorzustellen.“

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.

Die TDK Corporation stellt die X1-Kondensatoren der EPCOS-Serie B3291xH/J4 vor, die elektromagnetische Störungen (EMI) in anspruchsvollen Automobil- und Industrieanwendungen mit bis zu 480 V Wechselspannung filtern. Von der hohen Feuchtigkeitsbeständigkeit der Kondensatoren profitieren unter anderem PV-Wechselrichter und Onboard-Ladegeräte (OBCs) für Elektrofahrzeuge. Diese Anwendungen müssen oft bei hohen oder niedrigen Temperaturen und hoher Luftfeuchtigkeit funktionieren. Mit einer Belastbarkeit von 1000 V (DC) sind diese Kondensatoren für die EMV von Elektrofahrzeug-Plattformen eine gute Wahl.

Die X1-Kondensatoren bestehen den THB-Test (Temperatur, Feuchtigkeit, Vorspannung) bei +85 °C, 85% relativer Luftfeuchtigkeit und 1000 Stunden bei 380 V (AC) und 1000 V (DC). Sie sind für den Betrieb bei Temperaturen bis +110 °C ausgelegt.

Ausgestattet mit selbstheilenden Eigenschaften, bietet die Serie Kapazitäten von 15 nF bis 10,0 µF und Abmessungen von 18,0 x 10,5 x 5,0 mm bis 57,5 x 57 x 45 mm. Das Anschlussraster variiert je nach Kapazität zwischen 15 mm und 52,5 mm. Die größten Modelle besitzen vier Kontaktstifte für eine erhöhte Stabilität auf der Leiterplatte. Zertifiziert sind alle Produkte nach ENEC, UL und CSA.