November 2010

Power Capacitor Chips für Elektromobilität

Platzsparende Power für den Zwischenkreis

Gemeinsam mit Infineon Technologies hat EPCOS zwei neue Referenzdesigns für Inverter von Hybrid- und Elektrofahrzeugen entwickelt.
Als Zwischenkreiskondensatoren werden dabei platzsparende PCC™-Lösungen verwendet.


Für hybride und vollelektrische Antriebe in der Automobil-Elektronik bietet Infineon Technologies zwei Referenzdesigns für IGBT-Inverter: die Mild-Hybrid-Lösung HybridPACK™1 und HybridPACK™2 für reine Elektro-, aber auch Full-Hybrid-Antriebe.


Die Mild-Hybrid-Lösung HybridPACK1 mit einer Leistung von bis zu 20 kW wird zur Unterstützung des Verbrennungsmotors eingesetzt. Dabei findet in der Regel ein kombinierter Starter-Generator Anwendung, der zwischen Motor und Getriebe verbaut und direkt mit der Kurbelwelle verbunden ist. Er unterstützt den Verbrennungsmotor und erhöht besonders beim Beschleunigen das Drehmoment. Manche Konzepte ermöglichen auch für kurze Strecken einen ausschließlichen Elektroantrieb.


Für große Leistungen und damit auch einen reinen Elektroantrieb bietet Infineon Technologies das HybridPACK2. Es bietet eine Leistung bis zu 90 kW (Abbildung 1).

Abbildung 1: HybridPACK2-Evaluation-Kit mit PCC von EPCOS
Mit dem HybridPACK-Evaluation-Kit von Infineon Technologies lassen sich EV-Antriebe mit bis zu 90 kW entwickeln. Es enthält neben Controller und Software auch den PCC-Zwischenkreiskondensator von EPCOS.

Für beide Konzepte stellt Infineon Evaluation-Kits einschließlich Controller, Software und Zwischenkreiskondensator zur Verfügung. Bei diesen Kondensatoren setzten die Entwickler von Infineon auf die bewährte PCC-Technologie (Power Capacitor Chip) von EPCOS. Die Tabelle unten zeigt die wichtigsten Daten der PCCs.


Bereits seit mehreren Jahren entwickelt EPCOS erfolgreich PCC, vor allem für den Einsatz in der Hybrid-Technik oder als kompakte Zwischenkreiskondensatoren für Umrichter. Einer der besonderen Vorteile dieser Technologie ist die dadurch ermöglichte kompakte Bauweise der Kondensatoren. Bei konventionellen Wickeltechnologien entstehen Rundwickel oder abgeflachte Rundwickel. Nicht so beim PCC: Hier kommt eine so genannte Schichtwickeltechnologie zum Einsatz. Dabei erzeugen Polygonrad-Wickelmaschinen einen völlig ebenen, quaderförmigen und faltenfreien Kondensatorwickel, wodurch der Füllfaktor des realisierten aktiven Kondensators (Abbildung 2) praktisch 1 ist. Einen weiteren Vorteil bietet diese Technologie mit ihrer Anpassungsfähigkeit. Die Abmessungen lassen sich in sehr weiten Bereichen variieren und somit optimal am Design des Umrichters ausrichten.

Abbildung 2: PCC von EPCOS für Hybridantriebe
Neben der kompakten Bauform und einem Füllfaktor von fast 1 überzeugen die PCCs von EPCOS auch durch die Anpassung an Busbars, die exakt auf die IGBT-Module abgestimmt sind. Dadurch ergeben sich sehr geringe ESL-Werte und minimale Montagekosten.

Ebenso lassen sich die elektrischen und mechanischen Anschlüsse – auch Busbars genannt – sehr gut an die Erfordernisse des Systems adaptieren. Dadurch können PCCs direkt auf die IGBT-Module montiert werden. Dies verringert zum einen die Montagekosten erheblich, zum anderen sind keine separaten Platinen wie bei anderen Zwischenkreislösungen erforderlich. Speziell für Hybridantriebe hat EPCOS auch einen PCC entwickelt, der ringförmig in der Getriebeglocke um den Startergenerator angeordnet ist.

Abbildung 3: Ringförmiger PCC
Bei dieser Anordnung ist der PCC ringförmig ausgelegt und sitzt direkt auf dem Startergenerator.

Kurze Anschlussverbindungen und der innere Aufbau der Kondensatoren ergeben ein sehr niederinduktives Design. Abhängig vom jeweiligen Kondensator-Design werden hier Werte von nur wenigen nH erreicht. Dies ist gerade bei den steilen Schaltflanken der Umrichter wichtig, um Spannungsüberhöhungen zu vermeiden. Somit kann in der Regel auf eine zusätzliche Schutzbeschaltung der IGBT durch Snubber-Kondensatoren verzichtet werden.

Von Bedeutung ist auch die hohe Spitzenstrombelastbarkeit der Kondensatoren. Gerade bei Start-Stop-Zyklen, wie sie im Stadtverkehr auftreten, können Spitzenströme erzielt werden, die ein Mehrfaches des Nennstroms betragen. Diese Ströme muss ein Zwischenkreiskondensator in jedem Fall über die gesamte Lebensdauer bereitstellen können, ohne Schaden zu nehmen. Abbildung 4 zeigt einen typischen Fahrzyklus von 1800 Sekunden. Der für die Lebensdauer entscheidende durchschnittliche Strom beträgt hierbei etwas mehr als 100 A.

Abbildung 4: Lastdiagramm im Zwischenkreis

Die kurzfristigen Spitzenströme liegen bei rund 325 A und werden von der neuen PCC-Generation verkraftet, ohne dass die Kondensatoren Schaden nehmen.

Mit rund 15.000 Stunden Lebensdauererwartung und einer oberen Dauerbetriebstemperatur von 110 °C (kurzfristig bis 125 °C) eignet sich die PCC-Technologie insbesondere für die Automobil-Elektronik. Auch bei der Sicherheit und Zuverlässigkeit überzeugt dieses Konzept: Die Kondensatoren sind selbstheilend, das heißt, Durchschläge der Folie bei Überlastung führen nicht zu Kurzschlüssen oder Zerstörung des Kondensators. Die Tatsache, dass die Kondensatoren nicht mit säurehaltigen oder brennbaren Flüssigkeiten gefüllt sind, ist vor allem bei möglichen Unfällen entscheidend.

All diese Faktoren machen den PCC zu einer fortschrittlichen und optimalen Zwischenkreislösung für Inverter in der Elektromobilität sowie für kompakte Umrichter in der Industrie-Elektronik.

Tabelle: Technische Daten der PCC für HybridPACK

Parameter / TypB25655J4307K001B25655J4507K005

Geeignet für

HybridPACK1HybridPACK2

Nennspannung [V DC]

450450

Kapazität [µF] ±10 %

300500

Nennenergie [Ws] 

3050

Max. Dauerstrom [A]

80120

Arbeitstemperatur [°C]

-40 bis +110-40 bis +110

ESR max. [mΩ]

810

ESL max. [nH]

2515

Abmessungen [mm]

140 x 72 x 50237 x 72 x 50

Lebensdauer [h]

15.00015.000

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