Das richtige Bauelement allein reicht fast nie

Damit ein hermetisch gekapselter 8-Megawatt-Umrichter in einem 20-Fuß-Standardcontainer Platz findet, brauchte Norvento Enerxía mehr als nur einen passenden DC-Link-Kondensator: Die Entwickler des spanischen Spezialisten für erneuerbare Energien brauchten die Gewissheit, dass das Design unter allen Betriebsbedingungen stabil arbeitet. TDK lieferte beides – den ModCap UHP als Basis für den DC-Link sowie detaillierte Simulationen. Dies sparte mehrere Monate Entwicklungszeit.

„Oberstes Designziel beim nXL war die vollständige Kapselung, also kein Luftaustausch zwischen dem Inneren des Umrichters und der Umgebung.“ So beschreibt Ángel Mayor, Leiter Innovation bei Norvento und Chefentwickler des Umrichters, die zentrale Herausforderung. So eine Kapselung ist sinnvoll, denn solche Systeme, die als Zentral-Wechselrichter in Photovoltaik-Anlagen und großen Batteriespeichern dienen, müssen oft in Umgebungen mit hoher Luftfeuchtigkeit, salzhaltiger Luft oder sogar Metallpartikeln – etwa im Bergbau – sowie in Regionen mit aktivem Vulkanismus arbeiten. Außerdem sind gekapselte Systeme sehr wartungsarm, denn es müssen keine Filtermatten regelmäßig ausgetauscht werden. Eine Flüssigkeitskühlung sollte das thermische Management sicherstellen.

Allerdings wirkt sich dieses Designziel weitreichend auf die Schlüssel-Bauelemente wie den DC-Link-Kondensator aus. Hier unterstützte TDK nicht nur mit einem passenden Bauelement, sondern auch mit fachlicher Expertise und Service.

Abbildung 1:

Der 7 bis 8 MW starke Umrichter nXL von Norvento Enerxía einschließlich Transformator und Mittelspannungsschaltanlage

Herausforderungen im Entwicklungsprozess

Die DC-Link-Lösung für den nXL musste drei wesentliche Anforderungen erfüllen: 

• ein niedriger Serienersatzwiderstand (ESR) über die Frequenz, um Verluste zu minimieren,
• eine niedrige Serienersatzinduktivität (ESL), damit die Spannung beim Ausschalten der Halbleiter nicht zu weit überschwingt, was noch wichtiger wird, wenn zukünftig schnell schaltende SiC-MOSFET-Module eingesetzt werden sollen, sowie
• hohe Betriebstemperaturen.

Abbildung 2:

Der ModCap UHP von TDK kann die volle Ausgangsleistung bis +105 °C erbringen.

„Daneben war uns auch eine modulare Lösung wichtig, die sich flexibel an unterschiedliche Konfigurationen anpassen lässt“, ergänzt Mayor. Deswegen bot sich der ModCap von TDK an, einem langjährigen Partner von Norvento.

Allerdings müssen Folien-Kondensatoren mit Polypropylen als Dielektrikum bereits ab +85 °C in ihrer Ausgangsleistung gedrosselt werden (Derating). Das trifft auch auf die bis dato verfügbaren Varianten des ModCap zu. Deshalb hat TDK den ModCap UHP entwickelt. Darin kommt ein neuartiges Dielektrikum namens EPN (Ethylen-Propylen-Norbornene) zum Einsatz, sodass das Bauelement auch bei +105 °C die volle Leistung abgeben kann [1]. EPN ist eine Mischung aus Polypropylen (PP), einem bewährten, leicht zu verarbeitenden Dielektrikum, und zyklischem Olefin-Copolymer (COC), einem Dielektrikum mit höherer Temperaturbeständigkeit. Allerdings lässt sich COC allein nicht in eine Folie umformen. Daher wird es mit Polypropylen gemischt. Dieses Dielektrikum lässt sich wie PP verarbeiten und weist gleichzeitig die Hochtemperaturfestigkeit von COC auf.

Trotzdem blieben Fragen: Wie teilt sich bei höheren Frequenzen der Strom auf die einzelnen ModCaps an der Busbar auf? Wie verteilt sich bei höheren Frequenzen der Strom auf die Kondensator-Wickel innerhalb des Bauelements? Und wie entwickeln sich die Verluste über die Frequenz? Hier halfen die Spezialisten von TDK mit ihrer Expertise bei der Simulation.

Kürzere Time-to-Market

„Eines der zentralen Bedenken von Norvento war, wie sich der Strom zwischen den insgesamt 18 ModCaps – je sechs pro Phase – aufteilt, aus denen sich der DC-Link zusammensetzt“, erinnert sich Fernando Rodríguez von der Applications and Development Group von TDK in Málaga. Zudem ging es darum, ob sich hochfrequente Schwingungen negativ auswirken, beispielsweise Resonanzen im Zusammenhang mit den Abmessungen der Busbar. Um Gewissheit zu geben, schlug TDK vor, den gesamten DC-Link virtuell zu charakterisieren und die Stromverteilung per Finite-Elemente-Analyse (FEA) zu simulieren. Das Ergebnis: Die Busbar-Konstruktion in Kombination mit ModCap-UHP-Kondensatoren bleibt über den gesamten Betriebsfrequenzbereich der Anwendung innerhalb der Spezifikationen.

Der Hauptvorteil der Verwendung einer FEA besteht darin, dass Ergebnisse bereits vor dem Bau eines Prototyps vorliegen. Dadurch lassen sich langwierige Lebensdauer- und Stresstests weitgehend vermeiden. „In diesem Fall hat die Simulation schätzungsweise zwei bis drei Monate Entwicklungs- und Testzeit eingespart“, resümiert Rodríguez den Ansatz.

„Durch die Simulation bereits zu einem frühen Zeitpunkt im Projekt konnten wir die Stromverteilung im DC-Link optimieren und mögliche Resonanzen vorab ausschließen. Das verkürzte die Time-to-Market für Norvento und sicherte das Design von Beginn an ab.“ 

Fernando Rodríguez, Applications and Development Group bei TDK

Support als Erfolgsgarant

Einen hermetisch dichten 7 bis 8 MW starken Umrichter einschließlich Transformator und Mittelspannungsschaltanlage in einem 20-Fuß-Standardcontainer unterzubringen ist nur in einem Team mit erfahrenen Spezialisten möglich. Erfolgsgarant, so Álvar Mayor, „war nicht nur der passende DC-Link-Kondensator, sondern auch der technische Support insbesondere bei den Simulationen.“

Der nXL lässt sich im Netzfolgebetrieb oder als netzbildendes System betreiben. Damit eignet er sich auch für Micro Grids oder Anlagen, bei denen stabile Netze nicht selbstverständlich sind.

„Die Zusammenarbeit mit TDK war sehr gut und immer proaktiv. Wir haben in diesem Projekt viel voneinander gelernt. Die technische Unterstützung, insbesondere bei den Simulationen, war ein wichtiger Erfolgsfaktor.“

Álvar Mayor, Leiter Innovation bei Norvento und Chefentwickler des nXL

Ausblick

Für Norvento markiert der nXL einen Wendepunkt: Mit einer Leistungsdichte, die nach Aussage des Entwicklungsteams aktuell ihresgleichen sucht, und der Fähigkeit, 7 bis 8 MW in einem 20-Fuß-Standardcontainer zu integrieren, kann das Unternehmen nun mit den großen internationalen Herstellern von Leistungselektronik konkurrieren. Und die Entwicklung ist noch nicht abgeschlossen: Die Architektur des nXL ist von Anfang an auf den Einsatz von SiC-MOSFET-Modulen ausgelegt – ein Upgrade, das die Anforderungen an den DC-Link weiter verschärfen wird. Aber die Grundlage dafür ist dank der umfassenden Simulationen bei TDK bereits gelegt.

Ein solches System in dieser Kompaktheit und Zuverlässigkeit zu realisieren, wäre ohne die richtige Kombination aus Bauelement und Partner zum richtigen Zeitpunkt nicht möglich gewesen. Der ModCap UHP von TDK – mit seinem neuartigen Hochtemperatur-Dielektrikum und der patentierten Hochfrequenz-Innenstruktur – sowie die begleitende FEA-Simulation als Dienstleistung zeigen, was möglich wird, wenn Expertise auf Bauelemente-Ebene und Systemverständnis Hand in Hand gehen. Wer vor ähnlichen Herausforderungen steht, findet bei TDK beides.

Referenzen

[1] Leistungskondensatoren: Der neue ModCap mag es heiß, https://www.tdk-electronics.tdk.com/de/190976/tech-library/artikel/applications-cases/applications-cases/modcap/3660552, TDK, Januar 2026