TDK Electronics · TDK Europe

ModCap Standardserie

Modulares Kondensatorkonzept

 Intro Pic

ModCap ist ein modulares, vielseitig einsetzbares Leistungskondensator-Konzept für DC-Zwischenkreis-Anwendungen entwickelt. In Kombination mit der neuesten Generation an Power-Modulen lassen sich damit kompakte Umrichter für Anwendungen in den Bereichen Traktion, erneuerbare Energien und industrielle Anwendungen schnell zur Marktreife bringen. Verfügbar sind zwei Produktfamilien: ModCap MF für Silizium-IGBT-Module und seit neuestem ModCap HF für Siliziumkarbid-MOSFET-Module (SiC). 

Mit ModCap HF hat TDK eine Serie von Folien-Kondensatoren eingeführt, die sich besonders für Zwischenkreisanwendungen (DC Link) in SiC-basierten Konvertern eignet. In Kombination mit solch sehr schnell schaltenden Leistungsmodulen ermöglichen die Bauelemente kompakte Umrichter, bei denen ein kompaktes, robustes Design und höchste Leistungsdichte erforderlich ist. 

Möglich machen diese Leistung bei hohen Frequenzen durch die parallel geschalteten flachen Kondensatorwickel, die acht Anschlussverbindungen und eine neuartige interne Sammelschiene (Busbar). Dadurch lassen sich die Bauelemente sehr nahe an den SiC-basierten Power-Modulen platzieren und können so die hochfrequenten Oberwellen hervorragend bis in den Frequenzbereich von mehreren hundert Kilohertz absorbieren. In Verbindung mit der extrem niedrigen Streuinduktivität von 8 nH verhindert dies, dass die Spannung an den Power-Modulen beim Abschalten des Stroms zu stark überschwingt. Deswegen sind Snubber-Kondensatoren im Allgemeinen nicht erforderlich. Dies wiederum reduziert den Platzbedarf und die Kosten von Umrichterdesigns der neuen Generation, insbesondere von solchen mit SiC-Technologie. 

Als Dielektrikum wird bei beiden Produktfamilien biaxial orientiertes Polypropylen (BOPP) eingesetzt, das eine konstante Hotspot-Temperatur von +90 °C ermöglicht, bis die neue Generation von Dielektrika, die TDK derzeit entwickelt, Hotspot-Temperaturen von bis zu +125 °C ermöglicht. Um das thermische Verhalten der Kondensatoren anhand von Parametern wie Frequenzspektrum, Maximalstrom und kundenspezifischen Einbaubedingungen zu berechnen, steht Simulationssoftware zur Verfügung. 


ModCap Standardserie

Merkmal

  • Modulares Konzept zur Parallelschaltung insbesondere von IGBTs (ModCap MF) oder von SiC-MOSFETs (ModCap HF) 
  • Extrem niedrige ESL von 14 nH (ModCap MF) bzw. 8 nH (ModCap HF) 
  • Temperatur bis zu +90 °C am Hotspot 
  • Lebensdauer bis zu 200.000 Stunden 
  • Simulationssoftware verfügbar 

Vorteile

  • Optimierte Kosten 
  • Verkürzte Markteinführungszeit und Durchlaufzeiten 
  • Kompakte Umrichter mit hoher Leistungsdichte, z. B. für den Einsatz in der Leichttraktion oder bei erneuerbaren Energien 
  • Geringer Spannungsüberschwinger, daher keine Snubber-Kondensatoren erforderlich 

Aufbau und Normen

  • Gefüllt mit Polyurethanharz (Trockentechnologie) 
  • Kunststoffgehäuse (offen) 
  • Flacher Wickel 
  • Einsatz von biozirkulärem Folienmaterial
  • Acht Anschlusskontakte und neuartige interne Sammelschiene (Busbar) 
  • IEC 61071, IEC 61881-1, EN 45545-2 HL3 R23 (Feuer und Rauch), UL anerkannt

Vergleich der Serien

ModCap MF
ModCap HF
Kapazitätsbereich (µF)
ModCap MF
ModCap HF
Spannungen (V DC)
ModCap MF
ModCap HF
ESL (nH)



Simulationen

Thermische Simulation

Thermisches Modell für spezifische Simulationen entsprechend dem Spektrum und den vom Kunden definierten Randbedingungen verfügbar. 

 Simulations Thermal Map

Elektromagnetische Simulation

Elektromagnetisches Modell für spezifische Simulationen entsprechend dem Spektrum und den vom Kunden definierten Randbedingungen verfügbar. 

 Simulations Electromagnetic


Mehr Nachhaltigkeit durch biozirkuläre Folien

 Bild ModCap

Für alle ModCap Serien hat TDK eine biozirkuläre PP-Folie (Polypropylen) eingeführt. Das ISCC-zertifizierte Rohmaterial besteht aus nachwachsenden Rohstoffen der zweiten Generation (biozirkulär), die ausschließlich aus Abfällen und Reststoffen stammen: aus der Produktion von Pflanzenöl, aus der Papier- und Zellstoffindustrie oder aus gebrauchtem Speiseöl zum Beispiel. So lassen sich grundsätzliche ethische Fragen vermeiden, etwa Konflikte mit dem Nahrungsmittelanbau, die zu einem Anstieg der Lebensmittelpreise führen könnten. Biozirkuläres PP-Rohmaterial lässt sich auf die gleiche Weise verarbeiten wie konventionelles. Er ist chemisch identisch und hat die gleichen elektrischen und physikalischen Eigenschaften. 




Anwendungen

 Solar Grid
Solar
Drives
Wind
 Transportation
Drives

Datenblätter

PDF Typ Anwendung Bauart Anzahl der Phasen Nennkapazität (µF)
B25645 DC link MKK DC-R NA 350 - 3900

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ModCap löst Design-Probleme

Warum sind in der Regel keine Snubber-Kondensatoren erforderlich?

ModCap HF ist auf minimale Streuinduktivität ausgelegt; für die gesamte Serie werden Werte um 8 nH erreicht. Dank des Designs können die Kondensatoren sehr dicht an den SiC-Halbleitermodulen platziert werden, was die Leitungslängen sehr verkürzt. Dies verhindert erhebliche Spannungsüberhöhungen an den Halbleitermodulen, wenn der Strom abgeschaltet wird. Daher sind auch keine Snubber-Kondensatoren erforderlich.

Wieso verfügt ModCap über eine höhere Energie- und Leistungsdichte als andere Lösungen?

ModCap HF basiert auf dem ursprünglichen Design von ModCap MF, allerdings mit einer veränderten Innenkonstruktion und acht Anschlüssen, um die Leistungsfähigkeit und Leistungsdichte bei hohen Frequenzen zu erhöhen. Die einzigartige Metallisierung der Folien maximiert die Selbstheilfähigkeit und hält dank der reduzierten Folienbreite auch hohen Stromdichten stand, was die Verluste reduziert. Die Abmessungen des Kondensators sind für aktuelle und zukünftige SiC-Leistungsmodule konzipiert, um die Grundfläche der DC-Link-Einheit in Bezug auf Abmessungen und Leistung zu optimieren, die fast gleich groß ist wie die kleine Konstruktion von ModCap MF.

Was ist die maximale Hotspot-Temperatur für diese Reihe?

Dank der Verwendung von hochkristallinem BOPP und den fein abgestimmten, automatisierten Prozessparametern lassen sich während des Betriebs Hotspot-Temperaturen von bis zu +90 °C erreichen, wie dies auch bei ModCap MF der Fall ist. Neue Versionen von ModCap HF, die auch Hochtemperaturfolien umfassen, sind derzeit in der Entwicklung. 

Wie auch bei ModCap MF bietet TDK für eine präzise Wärmeverteilung im Bauelement FEA-Simulationen, die auf kundenspezifische elektrische und mechanische Bedingungen abgestimmt sind. TDK kann ModCap HF im Kunden-Setup simulieren und dabei die elektrischen Bedingungen und alle anderen Aspekte berücksichtigen, die einen Einfluss haben könnten, z. B. elektromagnetische Störungen von außen, das Kühlsystem, den mechanischen Aufbau und, was noch wichtiger ist, die Leistung bei hohen Frequenzen zusammen mit der neuen Generation von SiC-Halbleitern. 

Erfüllt ModCap die Richtlinien zu Feuer und Rauch?

Alle Materialien, die in Schienenfahrzeugen für den Personentransport eingesetzt werden, müssen die Norm EN45545-2 erfüllen, um das höchste Maß an Sicherheit im Brandfall zu erreichen. Schienenfahrzeuge werden gemäß der für ihre Konstruktion und ihren Betrieb geltenden Gefährdungsstufe klassifiziert. 

Die drei Gefährdungsstufen sind: HL1, HL2 und HL3, wobei HL1 die geringsten und HL3 die höchsten Anforderungen stellt. ModCap, die neue modulare Standardreihe, erfüllt die hohen Anforderungen der Norm EN 45545-2 für den Brandschutz in Schienenfahrzeugen und erfüllt die Gefährdungsstufen bis HL3 mit Hinblick auf Leistungskondensatoren (R22, R23 und/oder R24). 

Darum können beide ModCap Serien auch in Schlafwagen eingesetzt werden, die auf Strecken mit langen Tunneln eingesetzt werden, oder in U-Bahnen. Sowohl ModCap HF als auch ModCap MF verfügen über eine UL-Approbation. 

Wieso hält ModCap Oberschwingungen von mehreren hundert Kilohertz stand?

Die Grundlage für den Einsatz bei hohen Oberschwingungen ist die innovative interne Stromschiene bei ModCap HF. Dadurch können die HF-Oberwellen bewältigt werden und ModCap HF erreicht eine homogene interne Stromverteilung, die Resonanzeffekte vermeidet. 


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