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Kondensatoren

2. März 2021

TDK eliminiert Spannungs-Überhöhungen bei Hochleistungsmodulen im Mega-Watt-Bereich

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Hochleistungs-IGBT-Module schalten Ströme im kA-Bereich, wodurch unerwünschte und teils schädliche Spannungsüberhöhungen durch Zwischenkreis-Streuinduktivitäten auftreten können. Als Gegenmaßnahme bietet TDK extrem niederinduktive Snubber- und DC-Link-Kondensatoren an.

Der IGBT-Modul-Hersteller Semikron hat bei seiner jüngsten Weiterentwicklung, des SkiiP®4 mit bodenplattenlosem DBC-Konzept (Direct Bond Copper) auf einem Hochleistungskühler, sowohl das Design als auch die Performance weiter optimiert. So wurde es möglich, dass dieses Modul SKiiP2414GB17E4-4DUHP, das aus vier IGBT-Halbbrücken besteht, nun um 25 Prozent höhere Ströme von deutlich mehr als 2400 A bei einer Spannung von bis zu 1700 V schalten kann.

Die meisten herkömmlichen DC-Link-Designs stoßen bei diesen hohen Strömen aufgrund ihrer Streuinduktivitäten schnell an ihre Grenzen. Das SkiiP®4-Modul verfügt bereits über eine intelligente Anpassung der Ausschaltgeschwindigkeit bei sehr hohen Zwischenkreis-Spannungen, um die Halbleiter im Ausschaltmoment vor zu hoher transienter Überspannung zu schützen. Aber diese Schutzfunktion kann zusätzliche Verluste erzeugen und ist bei kontinuierlichem Betrieb eigentlich ein Indiz für eine zu hohe Zwischenkreisinduktivität. Daher ist eine Reduzierung der Zwischenkreisinduktivität sinnvoll, um einerseits den Spannungsstress beim Abschalten der IGBTs zu reduzieren und gleichzeitig die Ausschaltverluste der IGBTs zu reduzieren.

Series

DC voltage
[V]

Capacitance
[µF]

ESL [nH]

ESR up to
100 kHz [mΩ]

Terminals

B25632*
ULSI series

700 - 2000

20 - 270

<13

<1,5

2

B25690*
Resin top

700 - 3000

110 - 5500

<20

<2

2

B25689*
4T Metal top

700 - 3000

50 - 3000

<10

<2

4

Tabelle 1: Übersicht der niederinduktiven EPCOS DC-Link-Kondensatoren

Niederinduktive DC-Link-Kondensatoren sind ein Muss

Speziell für neue Generationen von IGBT-Modulen hat TDK besonders niederinduktive EPCOS DC-Link-Kondensatoren der Serien B256* entwickelt. Tabelle 1 und Abbildung1 zeigt eine Übersicht dieser Typen.

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Abbildung 1:

EPCOS DC-Link-Kondensatoren in unterschiedlichen Ausführungen für die neuesten IGBT-Generationen.

Neben den sehr geringen Eigeninduktivitäten bestechen diese Kondensatoren auch durch sehr geringe ESR-Werte selbst im Frequenzbereich bis 100 kHz, wodurch sie besonders verlustarm sind. DC-Link-Kondensatoren werden entweder einzeln oder als Kondensator-Bank an die SkiiP®4-Module über Busbars angeschlossen und befinden sich im Regelfall direkt neben den Modulen, um geringe Induktivitäten durch kurze Leitungslängen zu ermöglichen. In vielen Fällen ist eine solche Montage bedingt durch den vorhandenen Bauraum jedoch nicht möglich.

Passgenaue Snubber-Kondensatoren reduzieren Überspannungen drastisch

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Abbildung 2:

Die EPCOS Snubber-Kondensatoren sind mechanisch und elektrisch auf die SkiiP®4-Module von Semikron abgestimmt.

Um trotzdem ein niederinduktives Design ohne extreme Überspannungen realisieren zu können, stellt TDK jetzt 2 zusätzliche EPCOS Snubber-Spezialkondensatoren vor, die von ihren mechanischen wie elektrischen Parametern auf alle SkiiP®4-Module abgestimmt sind. Eine Besonderheit ist der Höhenversatz der Anschlusslaschen, der exakt an die entsprechende Geometrie der SkiiP®4-Module angepasst wurde (Abbildung 2 und Anlaufbild).

Durch die Neuentwicklung dieser Snubber-Kondensatoren ergab sich als zusätzlicher Vorteil, dass auch ihr spezieller innerer Aufbau optimiert werden konnte. So sind die maximalen Induktivitätswerte dadurch extrem niedrig und liegen unter 6 nH. Derzeit gibt es zwei Kapazitätswerte, die sich für die SkiiP®4-Module als optimal herausgestellt haben: 330 nF und 470 nF mit einer Nennspannung von 1600 V. Diese beiden Spezialkondensatoren ergänzen das Spektrum der EPCOS B32656S/58S Serie mit dem Anschlussbild T12, für das TDK eine Reihe von Folien-Kondensatoren bereithält, so dass diese auch in Verbindung mit anderen Busbarkonstellationen eingesetzt werden können. Montage und Einsatz in Verbindung mit dem SkiiP®4-Modul gestalten sich einfach. Damit ist nun im Vergleich zu aufwendigeren DC-Link-Designs eine optimierte und kostensenkende Lösung verfügbar.

Wie in Abbildung 3 zu sehen ist, konnte durch die Anpassung der Geometrie erreicht werden, dass die Kondensatoren direkt auf die Busbar-Anschlüsse des Moduls aufgeschraubt werden können und damit auch die Streuinduktivität des Zwischenkreises entsprechend niedriger ausfällt. Die somit erreichten deutlich niedrigeren Überspannungen in Doppelpuls-Tests (Messungen: Mankel-engineering.de) sprechen für sich und erlauben es, das SkiiP®4 -Modul auch mit weniger optimierbaren Zwischenkreis-Konstruktionen mit deutlich höherem Ausgangsstrom zu betreiben.

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Abbildung 3:

Vereinfachtes Schaltbild des SkiiP®4-Moduls als Halbbrücke mit den EPCOS DC-Link- Snubber- und Kondensatoren 
 

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Abbildung 4:

Dank der EPCOS Snubber-Spezialkondensatoren wird die Spannungsüberhöhung (Voltage Overshoot) beim schnellen Abschalten eines Stroms von 2500 A um mehr als 200V reduziert.

Die optimierte Form des Gehäuses sowie der Anschlüsse der Snubber-Kondensatoren und deren unterschiedlichen Höhen ermöglichen eine geringstmögliche Einfügeinduktivität und damit eine sehr effektive Wirkung des Snubber-Kondensators. Durch diese Optimierung verringern sich die Luft- und Kriechstrecken der Konstruktion nicht. Gleichzeitig ermöglicht dies die optimale Nutzung des vorhandenen Bauraums. Weniger optimierte Snubber-Kondensatoren büßen an Kapazität ein. Besonders in kritischen Situationen ist die Aufrechterhaltung und Stabilität der Snubber-Kapazität entscheidend, um mögliche Schäden an den IGBT-Modulen zu verhindern. Abbildung 4 veranschaulicht deutlich die Wirkung der der EPCOS Snubber-Kondensatoren an den SkiiP®4-Modulen beim schnellen Abschalten eines Stroms von 2500 A.

Die neuen EPCOS Snubber-Spezialkondensatoren sind nicht nur für neue Designs einsetzbar, sondern sie bieten auch eine attraktive Basis zu einem einfachen Retrofit-Upgrade bestehender Konverter – selbst mit nicht völlig optimierbaren DC-Link-Designs – um eine deutlich erhöhte Performance mit den neuen SkiiP®4-Modulen auf High-Performance-Kühler zu realisieren. Tabelle 2 zeigt die Kenndaten der genannten Snubber-Kondensatoren.

B32656S1474K412

B32656S1334K412

Breite [mm]

19,0

19,0

Höhe [mm]

37,5

37,5

Länge [mm]

42,0

42,0

Kapazität [nF]

470

330

Spannung [V DC]

1600

1600

ESL [nH]

6

6

ESR [mΩ]

4

4

Tabelle 2: Kenndaten der für SkiiP®4-Module optimierten EPCOS Snubber-Kondensatoren

Die beschriebenen Snubber-Spezialkondensatoren sind keine Standard Serienbauteile und daher nicht im Internet zu finden. Bei Interesse wenden Sie sich bitte an Ihren Vertriebspartner bei TDK Electronics.