November 2012

CeraLink™ Kondensatoren

Schneller schalten in Umrichtern

Der neue TDK CeraLink™ bietet bei der Stabilisierung und Befilterung von DC-Zwischenkreisen von Leistungsumrichtern viele Vorteile – gerade im Vergleich zu konventionellen Kondensatortechnologien. Davon profitieren vor allem Entwickler von Topologien mit neuen, schnell schaltenden IGBT-Modulen.

Leistungshalbleiterschalter in Stromversorgungen und Umrichtern werden von zwei Technologien bestimmt: MOSFETs und IGBTs. MOSFETs können mit relativ hohen Schaltfrequenzen deutlich oberhalb von 30 kHz betrieben werden, weisen aber im Gegensatz zu IGBTs sehr große Chipflächen auf. Eine neue Generation von IGBT-Modulen von Infineon Technologies arbeitet mit Taktfrequenzen von bis zu 100 kHz. Leitungsgebundene Verluste bzw. Ausschaltverluste halten sich bei beiden Systemen die Waage. Schnelle IGBTs mit ihrer deutlich geringeren Fertigungskomplexität und vielfach kleineren Chipflächen als Superjunction-MOSFETs ermöglichen eine IGBT3-Technologie mit hohen Schaltfrequenzen zu einem ausgezeichneten Preis-Leistungs-Verhältnis.


Schnell schaltende Systeme erfordern eine Schaltungsauslegung mit niedrigsten ESR- und ESL-Werten. Dementsprechend müssen auch die passiven Bauelemente – neben den Induktivitäten insbesondere die Kondensatoren – mit hohen Taktraten Schritt halten können. Höhere Schaltfrequenzen gestatten es, kleinere und leichtere passive Bauelemente zu verwenden, was geringere Verluste verursacht und die Effizienz steigert.

Im Fokus stehen dabei die Kondensatoren. Sie müssen eine hohe Schaltfrequenz mit niedrigen ESL- und ESR-Werten sowie einen extrem kompakten Aufbau in einem Design kombinieren. Mit konventionellen Kondensatortechnologien ist dies nur bedingt möglich. Der CeraLink ist dafür ein völlig neuer Lösungsansatz: Bei dem fortschrittlichen Bauelement handelt es sich um einen keramischen Vielschicht-Rippelstrombegrenzer, der auch als Zwischenkreiskondensator oder DC-Link (DCL) bezeichnet wird; zudem erfüllt er Snubber-Aufgaben.

Neue Inverter-Designs möglich
Entwickelt wurde der CeraLink im Kompetenzzentrum für keramische Bauelemente in Deutschlandsberg, Österreich. Das dort verfügbare Know-how aus jahrelanger Erfahrung, unter anderem bei der Großserienfertigung von Piezo-Aktuatoren, bildete die Basis für dieses fortschrittliche Bauelement. Der CeraLink bietet die Vorteile eines keramischen Kondensators ohne dessen ungünstige Eigenschaften. Das patentierte System aus Antiferroelectric-Multilayer-Ceramic-Material mit speziellen Kupfer-Innenelektroden erlaubt es, sowohl die Standard-IGBTs als auch die neuen, schnell schaltenden Typen mit wesentlich höheren Frequenzen noch ökonomischer zu nutzen. Dies gilt selbstredend auch für Schaltungen mit entsprechenden Superjunction-MOSFETs. Der neuartige CeraLink-Kondensator kombiniert eine hohe Kapazität pro Volumen mit niedrigstem ESL und ESR. Das führt so zu einer deutlichen Verbesserung hinsichtlich Effizienz, Zuverlässigkeit und Platzbedarf in zukünftigen IGBT- und MOSFET-Inverter-Designs. Von Vorteil sind darüber hinaus auch die LP- und SMD-Varianten des CeraLink als Snubberlösung für die Integration in Halbleiter-Leistungsmodulen. In enger Zusammenarbeit mit Infineon Technologies, dem Marktführer für IGBTs, wurden in den ersten Designs CeraLink-Baulemente auf spezielle IGBT-Module angepasst und immer weiter optimiert. So konnten beste Ergebnisse in Bezug auf Eigenschaften und Energieeffizienz erreicht werden. Sowohl für die EASY-Automotive-Serie von Infineon Technologies als auch für die entsprechenden Typen in Industrie-Anwendungen wurden alle beeinflussbaren Parameter und Eigenschaften des Kondensators auf mehr Ökonomie und Effizienz hin optimiert. Tabelle 1 zeigt die wesentlichen, optimierten Parameter auf.

Tabelle1: Optimierte Parameter und Vorteile des TDK CeraLink

Optimierte Parameter
Isolationswiderstandmit typischen Werten von 1 bis 10 GΩ sehr hoch; daraus resultiert ein sehr geringer Leckstrom, vor allem auch bei hohen Temperaturen
ESL<4 nH und damit extrem niedrig
ESRTypisch <4 mΩ und damit extrem niedrig bereits bei kleinen Kapazitäten. Daraus resultierend geringe Verluste
Betriebstemperatur -40 °C bis +125 °C (kurzzeitig bis +150 °C), damit auch für SiC geeignet
Vorteilhafter Aufbau und Ausstattung

Innere Kupferkontaktierung

geringste Verluste und extrem hohe Strombelastbarkeit

Innere Busbar

optimiert für variablen Einsatz
Verschiedene Anschlussausführungengeeignet für Löt- als auch Press-Fit-Montagetechnik

Kompaktes Gehäusedesign

Gehäusehöhe auf gängige Halbleitermodule optimiert

Robustes Design

ausgelegt für Snubber- und Leistungsanwendungen in industriellen und automobilen Applikationen

Hohe Kompatibilität

Typen für die Integration in Leistungsmodule auf Basis von IGBTs, MOSFETs und SiC
Weitere Vorteile
Ideal geeignet für steile Schaltflanken und hohe Taktraten
Positive DC-Bias Beeinflussung der Kapazität
Aktive Kühlung nicht zwingend erforderlich
Einfache Rückverfolgbarkeit durch QR-Codes

Die ersten Designs eines On-Board-Wandlers, das EASYKIT DCDC, wurden nach vorliegenden Vorgaben von OEMs für Nennspannungen von etwa 400 V DC auf der Hochvoltseite ausgelegt. Den CeraLink gibt es derzeit in unterschiedlichen Ausführungen. Das Kapazitätsspektrum reicht von 1 µF bis zu 20 µF bei Nennspannungen von 500 V DC bis 1000 V DC. Die unterschiedlichen Anschlussformen sind in Abbildung 1 dargestellt. Für die direkte Integration in Halbleiter-Leistungsmodule sind, aufgrund des beengten Bauraums, die SMD-Versionen (LP und SMD) (Abbildung 1 links) vorgesehen. Sie lassen sich in Löt-, Bond- oder Sinterprozessen verarbeiten.

Abbildung 1: TDK CeraLink in verschiedenen Ausführungen

Anschlussform

Low Profile (LP)

SMD

Lötstiftkontakte (SP)

Kapazität [µF]155 / 20
Nennspannung
[VDC]
5005001000 / 500

Abmessungen
[mm]

(ohne Anschlüsse)

10,84 x 7,85 x 4,2513,25 x 14,26 x 9,3533 x 22 x 11,5

In enger Zusammenarbeit mit TDK hat Infineon Technologies ein HV/LV DC-DC-Demoboard mit einer Leistung von 2,7 kW entwickelt. Zu den Anforderungen zählen unter anderem ein weiter Hochvolt-Eingangsspannungsbereich von 200 V DC bis 400 V DC – je nach verwendeter HV-Batterie – sowie ein Niedervolt Ausgangsspannungsbereich von typisch 8 V DC bis 16 V DC Standardspannung im Bordnetz. Ferner muss ein Strombereich von bis zu 200 A DC abgedeckt werden.

Nahezu 100 Bauelemente von EPCOS und TDK
Auf dem DC-DC-Wandler-Markt liegen Schaltungs-Topologien unterschiedlichster Art vor. Einsatz findet jedoch meist die Vollbrücken-Schaltung mit Nullspannungsschaltung (ZVT) auf Basis von MOSFET-Transistoren. Infineon Technologies hat diese Schaltungen mit diversen EPCOS Bauelementen neu aufgebaut und an seine schnell getakteten IGBTs der EASY-Serie angepasst (Abbildung 2). Eingesetzt wird eine ganze Reihe verschiedener Bauelemente von EPCOS und TDK (Tabelle 2).

Abbildung 2: Infineon EASYKIT DCDC 2,7 kW-Wandler

In dieser Schaltung kommen fast 100 Bauelemente von EPCOS und TDK zum Einsatz.

Tabelle 2: Bauelemente von EPCOS und TDK für schnell getaktete IGBTs von Infineon Technologies

Bauelement

Anzahl

CeraLink mit 20 µF für 500 V DC

TDK1

Aluminium-Elektrolyt-Kondensatoren

EPCOS3

MLCCs

TDK80

Leistungsinduktivitäten in SMT

EPCOS 7

PCEM T7921 Leistungsdrossel aus der Electro Mobility Platform mit 225 A Spitzenstrom

EPCOS 1

PTEM T6973 Leistungsübertrager aus der Electro Mobility Platform

EPCOS1

GTEM T7509 Gate-Drive-Übertrager aus der Electro Mobility Platform

EPCOS4

CTEM T7078 Current-Sense-Übertrager aus der Electro Mobility Platform

EPCOS1


Der CeraLink kombiniert hohe Kapazität pro Volumen, niedrige ESL- und ESR-Werte sowie geringsten Leckstrom und erfüllt damit alle Anforderungen der High-Speed-IGBT-Module bzw. MOSFETs. Dieser Systemaufbau ermöglicht ebenso, die hohen Stromänderungsraten di/dt von bis zu 10 kA/µs zu beherrschen. Trotz dieser extrem hohen möglichen di/dt sind aufgrund des niedrigen ESR die erzeugten Spannungsspitzen (U = L * di/dt) äußerst gering.

Parasitäre Induktivitäten werden allerdings nicht nur vom Kondensator erzeugt. Im normalen Systemaufbau kommt es zu merklichen Streuinduktivitätswerten durch mehrere Faktoren: Neben der Kontaktierung im Inneren des IGBT-Moduls trägt dazu auch die Zuleitung zum Kondensator bei. Mit dem CeraLink lassen sich gleichermaßen die Werte für den Kondensator selbst und, bedingt durch den kompakten Aufbau, die Werte für die Zuleitung drastisch reduzieren. Durch die kompakte Anbindung an das IGBT-Modul werden gleichzeitig auch dessen Überspannungen bedämpft und der Snubber-Kondensator kann in der Regel entfallen. Abbildung 3 zeigt den Spannungsverlauf beim Abschalten des IGBTs mit und ohne CeraLink. Der Spannungsanstieg ist somit nur noch minimal und befindet sich im sicheren Bereich der IGBTs. Als Schaltfrequenz kommen hier 100 kHz zum Einsatz, die für den Kondensator eine Stromripplefrequenz von 200 kHz bedeutet. Abbildung 4 zeigt den Verlauf von Impedanz und ESR als Funktion der Frequenz.

Abbildung 3: Überspannungsdämpfung durch den TDK CeraLink

Spannungsverlauf über dem IGBT durch parasitäre Induktivitäten beim Schalten.


Abbildung 4: Impedanz und ESR als Funktion der Frequenz

Dank sehr kleiner ESR-Werte wird mit dem TDK CeraLink eine sehr gute Bedämpfung von Überspannungsspitzen erreicht. Somit kann in der Regel auf zusätzliche Snubber-Kondensatoren verzichtet werden.

Reicht die Kapazität des CeraLink für reine DC-DC-Anwendungen im Allgemeinen aus, so kann diese beispielsweise beim Betrieb von Motoren zu gering sein. Abhilfe schafft hier das Parallelschalten von Aluminium-Elektrolyt- bzw. Folien-Kondensatoren, die mit ihrer hohen Kapazität den niederfrequenten Anteil des Stroms führen. Der CeraLink übernimmt unterdessen den hochfrequenten Anteil einschließlich Snubber-Anteil.

Muster sind passend zu den Infineon EASY-Modulen verfügbar und über die regionalen Vertriebsniederlassungen abrufbar.

Kontakt für Informationen über Referenzdesigns oder spezielle Applikationen:

design-solutions@epcos.com

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