Innovation bei Traktionsumrichtern möglich machen

Es dauert sechs Monate, einen kundenspezifischen DC-Link-Kondensator für Traktionsumrichter umzuentwerfen, und rechnet sich nur bei hohen Stückzahlen. Dies behindert oft jegliche Art von Innovation. Genau hier setzt TDKs modularer Ansatz mit xEVCap an: standardisierte Bauelemente, online verfügbare Konstruktionsdaten und flexible Skalierbarkeit vom Prototyp bis zur Serienfertigung. Ob das auch in der Praxis funktioniert, hat TDK zusammen mit Partnern an einem 150-kW-Traktionsumrichter getestet.

Ändern sich die Anforderungen an einen Traktionsumrichter im Laufe des Projektes, kann das bedeuten, dass der gesamte DC-Link-Kondensator neu konstruiert werden muss. Neues internes Layout. Neue Anschlüsse. Es sind neue Qualifizierungstests erforderlich. Zudem darf mit der Entwicklung erst begonnen werden, wenn Stückzahlen in Aussicht stehen, ab denen sich eine kundenspezifische Entwicklung lohnt. In jedem Fall verlängert sich der Entwicklungszyklus um weitere sechs Monate oder mehr, was sich negativ auf den Projektzeitplan beim Kunden auswirkt.

Parasitäre Effekte auf Systemebene: Nicht nur eine simple Addition

Bei modularen Kondensatoren ist die gesamte Streuinduktivität (ESL) nicht einfach die Summe der einzelnen Aneile. Vielmehr kann das Wechselspiel zwischen den einzelnen Elementen die Gesamtinduktivität des Systems erhöhen oder verringern.

TDK simulierte einen DC-Link mit fünf xEVCap-Einheiten (B25654A8806K001, 80 µF, 850 V) bei 2 MHz. Die Summe der einzelnen Bauelemente – 3,1 nH für die Anschlüsse an die Halbleiter, 3,7 nH für die Busbar und 1,1 nH für die parallel geschalteten Kondensatoren – beträgt 7,9 nH. Die tatsächlich gemessene Systeminduktivität liegt jedoch bei 8,3 nH. Diese zusätzlichen 0,4 nH rühren von den elektromagnetischen Wechselwirkungen zwischen den Bauelementen her.

Die Mathematik dahinter lautet wie folgt: ESL_DC-Link = Σ(ESL_components) ± Σ(ESL_interactions)

Gemeinsam mit STMicroelectronics validierte TDK dies und verwendete dabei STs Traktionsumrichter (800 V/300 kW). Die Doppelpulstests ergaben eine Streuinduktivität von insgesamt 13 nH, die den Ergebnissen der FEM-Simulationen entspricht (Abb. 1).

Um das ESL im System zu reduzieren, gibt es drei Möglichkeiten:: 

• die Anschlüsse der Leistungsmodule optimieren, um die Induktivität der Anschlüsse zu verringern,
• die Busbar-Überlappung maximieren und
• weitere kapazitive Elemente parallel hinzufügen. Zwar reduziert jedes zusätzliche Modul die Gesamtinduktivität, der Nutzen sinkt jedoch mit jedem weiteren Modul.

Der ESR ist nicht konstant

Nun zu einer Besonderheit. Der ESR variiert mit der Frequenz. Zwei Ströme mit gleichen Effektivwerten, aber abweichenden Spektren können zu unterschiedlichen Verlusten führen. Dies hat TDK am Beispiel eines Kondensators mit gleichen Effektivwerten demonstriert: einem reinen Sinussignal mit 10 kHz und einem realitätsnahen Spektrum aus dem Automobilbereich. Dabei unterscheiden sich die Höhe der Verluste und deren Verteilung im Kondensator deutlich (Abb. 2).

Für die Frequenzabhängigkeit des ESR sind fünf Faktoren verantwortlich: Skin-Effekt, inhomogene Impedanz, interne Resonanzen, elektromagnetische Wechselwirkungen und Geometrie der Wickel. Beim xEVCap sind diese internen Faktoren berücksichtigt. Die Umrichter-Entwickler wiederum müssen die externen Faktoren durch eine geeignete Busbar und einen geeigneten Anschluss berücksichtigen.

Montage: Selektives Wellenlöten für besonders zuverlässige Verbindungen

Jedes xEVCap-Modul verfügt über acht Kupferanschlüsse mit jeweils 1,2 mm Durchmesser (vier pro Polarität). Sie sind verzinnt und für den Einsatz mit laminierten Busbars oder Leiterplatten ausgelegt.

Beim Löten muss die Temperatur sorgfältig kontrolliert werden. Überschreitet sie die im Datenblatt angegebenen Grenzwerte, kann sich der ESR-Wert erhöhen, da der Kontakt zwischen Elektrode und Film beschädigt wird, oder der Isolationswiderstand aufgrund einer Beschädigung des Dielektrikums sinkt. Beim selektiven Wellenlöten sollten an den Referenzmesspunkten (wie im Datenblatt angegeben) die Vorwärmtemperatur unter +110 °C und die Löttemperatur unter +120 °C bleiben; die Lötdauer sollte 45 Sekunden nicht überschreiten. Ein Busbar-Design mit Lötinseln begrenzt außerdem den Wärmefluss zum Kondensatorelement und sorgt für zuverlässige Lötverbindungen. Sowohl Wärmezyklustests als auch Tests zur thermischen Stabilität haben durchweg gute Ergebnisse gezeigt und keine Schwachstellen in den Lötverbindungen ergeben.

Wärmemanagement: Halbleiter von Kondensatoren entkoppeln

Beim thermischen Design von DC-Link-Kondensatoren dreht sich alles um einen entscheidenden Parameter: die Hotspot-Temperatur des Dielektrikums. Diese bestimmt die Lebensdauer des Kondensators unter den gegebenen Einsatzbedingungen. Der Haken dabei ist, dass sich die Kondensatoren unmittelbar neben der größten Wärmequelle im System befinden – den Leistungshalbleitern.

Temperatur an den Anschlüssen: die kritische Randbedingung

Kupferanschlüsse leiten Wärme sehr gut und schaffen somit einen direkten Wärmepfad zum Kondensator. Für thermische Simulationen setzte das Team bei TDK die Kondensatorverluste von 35 W voraus und variierte lediglich die Temperatur der Anschlussklemmen der Halbleiter: +105 °C, +115 °C und +125 °C. Es zeigte sich, dass die Temperaturen der Busbar, insbesondere in der Nähe der Halbleiteranschlüsse, und der des Kondensators sehr gut korrelierten (Abb. 3).

Die gute Nachricht: In allen Fällen blieb die Temperatur des xEVCap-Hotspots unterhalb der Temperatur der Anschlüsse, was weitere Tests bestätigten.

Aktive Kühlungsstrategie: Auf die Lage kommt es an

Abbildung 4:

DC-Link-Lösung mit Wärmeleitpads in ausgewählten Bereichen der Busbar, um Wärme abzuleiten sowie die Halbleiter und den xEVCap thermisch zu entkoppeln. (Busbar-Design von Infineon Technologies AG)

Meist müssen DC-Link-Anwendungen im Automobilbereich aktiv gekühlt werden. Dies liegt daran, dass die Anforderungen an Strom und Frequenzen für passive Ansätze zu hoch sind. Als Standard gilt die Wasserkühlung in einem geschlossenen Kreislauf. Dabei ist entscheidend, wo die Kühlfläche platziert wird.

Bei dem Ansatz von TDK wird der Kühler auf der Busbar zwischen den Halbleiteranschlüssen und den Kondensatoren montiert (Abb. 4). Dies hat zwei Vorteile:

• Heat extraction: The cooling surface is optimally located, and copper's high conductivity pulls heat from both busbar and capacitors through their terminals.
• Thermische Entkopplung: Das Kühlsystem isoliert die Kondensatoren physisch und thermisch von den Halbleitermodulen, was den Wärmefluss zum Dielektrikum reduziert.

Abbildung 5 veranschaulicht den enormen Unterschied. Ohne Kühlung staut sich die Wärme zwischen den Halbleitern und den Kondensatoren, wodurch sich die Temperatur des Dielektrikums erhöht. Mit Kühlung hingegen sind die Halbleiteranschlüsse die heißesten Stellen und der gesamte Wärmestrom wird über das Kühlsystem abgeleitet.

Praxistest: Erprobung an einem 150-kW-Demonstrator

TDK hat einen Demonstrator mit drei xEVCap-Einheiten (B25654A8806K001 mit jeweils 80 µF/850 V und 56 A (RMS)) für eine Nennleistung von 150 kW gebaut. Das Setup umfasst abnehmbare Kühl- und Heizelemente, um die Verluste in den Halbleitern zu emulieren. So lässt sich die thermische Integration unter realistischen Bedingungen bewerten.

Die Tests erfolgten bei 168 A (RMS) und 20 kHz Schaltfrequenz. Neun 175-W-Heizpatronen, welche die Wärmeverluste der Halbleiter von etwa 1.500 W emulierten, wurden entsprechend den realen Positionen der Power-Module angeordnet. Zusätzliche Widerstände an der Busbar-Verbindung reproduzierten die thermischen Effekte der Anschlussklemmen der Halbleiter. Ein 1,5 mm dickes Wärmeleitpad mit einer Wärmeleitfähigkeit von 3,2 W/(m·K) kontaktierte die Kühlfläche thermisch gut.

TDK testete unter einer Vielzahl von Bedingungen: Dabei variierten die Entwickler die Wassereintrittstemperatur (+50 °C oder +60 °C), die Durchflussrate (5 l/min oder 8 l/min) sowie die Temperatur des Anschlusses zwischen Busbar und Halbleitern (+70 °C bis +100 °C).

Die wichtigsten Erkenntnisse (Abb. 6) sind: Ohne Kühlung erreichte die Temperatur der Busbar +55 °C, wobei die maximale Temperatur des Kondensators +62,1 °C betrug. Bei voller Kühlung und voller Heizleistung (Wassertemperatur zwischen +60 °C und +64 °C, Temperatur des Heizelements bei +135 °C) verlagerte sich der Hotspot auf die xEVCap-Anschlüsse, die +85,7 °C erreichten. Das System leitete also die Wärme aus dem Kondensator erfolgreich ab. Dadurch blieb die Temperatur im Bereich der gekühlten Busbar niedriger als die der Hotspots des Kondensators. Dies belegt, wie wirksam die Strategie der thermischen Entkopplung ist.

Wege aus dem zeitlichen Korsett von sechs Monaten

Traditionell setzen Hersteller von Traktionsumrichtern auf kundenspezifische DC-Link-Kondensatoren. Dieses Konzept eignet sich zwar gut für die Massenproduktion, schränkt jedoch die Schnelligkeit und Flexibilität bei der Entwicklung erheblich ein.

Hier setzt xEVCap an: Er überträgt die Philosophie von Standardkomponenten aus der Low-Power-Elektronik auf Traktionsumrichter. Verschiedene Nennleistungen, Spannungen und Konfigurationen sind ab Lager lieferbar. Alle Konstruktionsinformationen sind online verfügbar. Auch wenn dieser Ansatz etwas weniger Optimierungspotenzial bietet, überzeugt er durch Schnelligkeit, Flexibilität und niedrigere Einstiegshürden – und befreit damit vom zeitlichen Korsett von sechs Monaten für ein Neudesign.

Die hier beschriebene Systementwicklung erfüllt die Leistungsanforderungen im Automobilbereich. Dies zeigen FEM-Simulationen, Doppelpulstests und thermische Demonstratoren, die gemeinsam mit STMicroelectronics, Infineon Technologies, Rogers Corporation und Hamamatsu Photonics entwickelt wurden.

Durch den modularen Ansatz können sowohl Projekte mit kleineren Stückzahlen kosteneffizient bedient werden als auch die Lieferkette flexibel gestaltet werden.

Derzeit arbeitet TDK daran, das System weiter zu miniaturisieren, EMV-Filter zu integrieren und die Montageprozesse, einschließlich des automatisierten Laserschweißens, kontinuierlich zu optimieren. Zudem entwickelt das Unternehmen virtuelle Charakterisierungstools, um das thermische Verhalten des gesamten Systems unter verschiedenen Leistungs- und Kühlszenarien zu modellieren.
 

Von David Olalla, Tomas Wagner, Fernando Rodriguez, und Alberto Espinar TDK Electronics

Referenzen

[1] D. Olalla et al., 'A Modular DC-Link Capacitor Solution for the Main Powertrain Inverter of xEVs,' PCIM 2024

[2] S. Chowdhury, E. Gurpinar, 'Capacitor Technologies: Characterization, Selection, and Packaging,' IEEE Trans. Transportation Electrification, Vol. 8, No. 2, 2022

[3] F. Auñón et al., 'Film Capacitor Standard Series Digitalization: Electromagnetic & Thermal Modeling implementation in CLARA Web Tool,' PCIM 2024

[4] Datenblatt xEVCap B25654A*001, TDK, Juli 2024

[5] IEC TS 63337 Ed. 1: 'Basic qualification of DC-link film capacitors for automotive use,' February 2024