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Designtipps für DC-Link

2021-01-07

Kemet DC-Link

Die DC-Link-Kondensatoren sind in vielen Anwendungen eine wesentliche Etappe der Leistungsumwandlung, einschließlich in den dreiphasigen PWM-Wechselrichtern (zur Steuerung mit der Pulsweitenmodulation), PV- und Windwechselrichtern, industriellen Motorantrieben, Autoladegeräten und fahrzeugmontierten Wechselrichtern (Abb. 1, Netzteilen für medizinische Geräte usw. Anspruchsvolle Anwendungen zeichnen sich durch hohe Kosten, raue Umgebungsbedingungen und strenge Zuverlässigkeitsanforderungen aus. Obwohl beim Schaltungsdesign verschiedene Technologien verwendet werden können, werden die DC-Link-Kondensatoren schon seit Jahren verwendet. Die DC-Link-Kondensatoren können die Leistungsdichte im System verbessern und die physikalischen Probleme lösen, die mit dem durch schnelles Schalten hervorgerufenen Pulsieren verbunden sind, das der Leistungsumwandlung inhärent ist. Welcher Kondensatortyp eignet sich am besten als DC-Link-Kondensatoren und warum?

Abbildung 1: Die DC-Link-Kondensatoren bilden die Grundlage für den Entwurf von Stromumwandlungssystemen für viele Wechselrichteranwendungen, einschließlich Hybrid- und Elektrofahrzeuge. Laut JP Morgan Chase und Company wird der kombinierte Anteil von Hybrid- und Elektrofahrzeugen am gesamten Fahrzeugabsatz bis 2025 auf rund 30% steigen (Grafikquelle: afdc.energy.gov)

Die Automobilindustrie ist ein Paradebeispiel für die Verwendung der Leistungswandlung in einem Hybrid- und Elektroantriebssystem. Mit Batterien ausgestattete Elektrofahrzeuge verfügen über einen Satz Energiespeicherzellen für das Antriebssystem, einen elektrischen Antriebsmotor und einen mit einem Wechselrichter ausgestatteten Leistungsregler. Alle diese Geräte arbeiten mit hohen Spannungen zwischen 48 VDC und sogar 800 VDC. Aufgrund der physikalischen Einschränkungen, die mit der Begrenzung des Stroms einhergehen, korreliert Hochspannung mit hohem Wirkungsgrad. Je höher die Betriebsgleichspannung ist, desto weniger Strom fließt bei gleicher Ausgangsleistung (P = VI). Die Automobilindustrie ist dafür bekannt, dass sie Komponenten benötigt, die bei extrem hohen Temperaturen, bei konstanten Vibrationen und unter rauen Umgebungsbedingungen zuverlässig arbeiten können. Der dreiphasige Traktionsumrichter wandelt die Energie von der Zelle in den Motorantrieb um. Der Schlüssel zu dieser Konstruktion ist ein DC-Link-Kondensator.

Im Gegensatz zu Spielzeugautos arbeiten Elektrofahrzeuge nicht direkt mit der in der Batterie gespeicherten Energie. Die Konvertierung ist notwendig. Der 3-Phasen-Wechselrichter für Hybrid-/Elektrofahrzeuge (HEV/EV) besteht aus folgenden Phasen:

  • Phase I, Eingangsphase, die die Gleichspannung von der Batterie ausführt.
  • Phase II, die die Umwandlung mit einem DC-Link-Kondensator startet, der die Gleichspannung auf den Gleichstromschienen filtert und glättet
  • Phase III, die die Umwandlung über eine hohe Schaltfrequenz (mit einem Ausgang, der dem von einem Schienen-Gleichrichter ähnlich ist) initiiert und der Last umgewandelte Leistung liefert, da die Last einen unmittelbaren Bedarf erzeugt

Der DC-Link-Kondensator muss Schwankungen der momentanen Leistung auf den Stromschienen aus der Aktivität der ersten und dritten Phase ausgleichen. Der DC-Link-Kondensator stabilisiert die "Welligkeit", die durch die in Phase III vorhandenen Hochfrequenzschaltkreise erzeugt wird. Der Welligkeitsstrom/die Welligkeitsspannung (bestimmt bei einer bestimmten Frequenz und Temperatur) ist der gesamte Effektivwert für den Wechsel- und Gleichstrom, dem ein Kondensator ohne Ausfall standhalten kann.

Berechnung der Kapazität, die zum Glätten der Spannungsspitzen erforderlich ist

Der DC-Link-Kondensator (in der Phase II platziert) muss die Spannung und den Strom an den Schienen stabilisieren und glätten (d.h. die durch Umschalten verursachten Spitzen abschalten). Mit dieser Gleichung kann man die erforderliche Mindestkapazität und Welligkeitsspannung berechnen:

wobei Cmin = erforderliche Mindestkapazität, Iout = Ausgangsstrom, dc = Tastgrad, fSW = Schaltfrequenz, VP(max) = Spitzenwelligkeitsspannung.

Der DC-Link-Kondensator dient zur Stabilisierung der Gleichspannung und zur Begrenzung ihrer Schwankungen, da der Wechselrichter gelegentlich einen hohen Strom benötigt. Das DC-Link-Kondensatordesign kann verschiedene Technologien verwenden. Es gibt Aluminium-Elektrolyt-, Folien- und Keramikkondensatoren auf dem Markt. Die Wahl ist nicht einfach und hängt weitgehend von der Anwendung ab.

Die Auswahl des geeigneten DC-Link-Kondensators beginnt mit dem Vergleich der Nennkapazitäts- und -spannungswerte, die sich in einem bekannten Energiebedarf niederschlagen. Dabei strebt man hohe Nennwerte für Welligkeitsspannung an. Die Welligkeit in den DC-Link-Knoten, die hauptsächlich durch das extrem schnelle Schalten von IGBTs oder MOSFETs in der Phase III erzeugt wird, beeinflusst die Leistung, da jeder Kondensator eine bestimmte Impedanz (und Selbstinduktivität) aufweist. Der C-Link-Kondensator muss die Spannung regeln und die Stromwelligkeit absorbieren.

Die Welligkeit ändert den Spannungspegel, der im DC-Link-Kondensator auftritt, während die Welligkeit des Schaltstroms durch den Kondensator fließt (V = IR). Die Schaltfrequenzen des Wechselrichters, die der DC-Link-Kondensator tolerieren muss, müssen ebenfalls berücksichtigt werden. Beispielsweise funktionieren Folienkondensatoren nicht richtig, wenn die Schaltfrequenz größer als 1 MHz ist. Weitere Überlegungen bei der Auswahl eines DC-Link-Kondensators sind die Kenntnis der erforderlichen Gleichspannung auf den Schienen, die erwartete Lebensdauer des Geräts, der maximal mögliche Strom und die Frequenz der im System auftretenden Welligkeiten sowie die Frage, ob der erzeugte Welligkeitsstrom eine konstante oder intermittierende Charakteristik aufweist.

Die technischen Spezifikationen der besseren DC-Link-Kondensatoren sollten iedrige Selbstinduktivität, sehr niedrigen äquivalenten Serienwiderstand (ESR) und hohe Stromwelligkeitstoleranz bei vergleichbaren Betriebstemperaturen und -frequenzen aufweisen (der ESR eines Kondensators ist der bei einer bestimmten Frequenz ermittelte Gesamtinnenwiderstand und Temperatur). Der niedrigstmögliche ESR-Wert minimiert die Wärmefreisetzung in Form von Verlustleistung (PDiff =I2 x ESR). Insgesamt bedeutet dies jedoch, dass bei DC-Link-Folienkondensatoren der ESR viel niedriger ist und er gleichzeitig eine gute kapazitive Spannung (CV) liefert, die normalerweise eine viel bessere Welligkeitsantwort ergibt.

DC-Link-Folienkondensatoren bieten eine hohe Welligkeitsspannung und eine längere Lebensdauer als Elektrolytkondensatoren , während sie gleichzeitig eine höhere Kapazität als Keramikkondensatoren bieten. Nichtsdestotrotz ist die tatsächlich angeforderte, mit der Welligkeitsspannung verbundene Kennlinie schwer vorherzusehen und unterscheidet sich je nach der Schaltfrequenz und der Harmonischen, die durch die Eingangs- und Ausgangsphasen erzeugt werden (d.h. die Phasen I und III). Der DC-Link-Kondensator ist ein Element, das geeignete Ströme erzeugt oder sie zu geeigneten Werten reduziert. Andere Lösungen können zu einer dreieckigeren Wellenform der aktuellen Welle führen.

Im Allgemeinen können sich die Kapazitätswerte aufgrund von Änderungen der Betriebsumgebungstemperatur oder Änderungen der angelegten Spannung und Frequenz ändern. Andere zu berücksichtigende Variablen sind z. B. Selbstinduktivität, die die effektive Impedanz eines Kondensators bei hohen Frequenzen erheblich verringern kann und somit das erwartete Verhalten des Kondensators ändert. Unabhängig vom ausgewählten Kondensatortyp können Rauschunterdrücker wie KEMET Flex Suppressors® dazu beitragen, das von der Umgebung erzeugte hochfrequente Rauschen zu reduzieren.

Außerdem ist der ESR eines Kondensators häufig der begrenzende Faktor der Welligkeitsspannung (d.h. der Spannung des Welligkeitsstroms, den der Kondensator ohne Überhitzung verarbeiten kann). Um das gewünschte niedrige ESR-Niveau und die lange Lebensdauer bei hoher Verlustleistung zu erreichen, erreichen die Folienkondensatoren physikalische Abmessungen, die häufig dazu führen, dass ein solcher Kondensator die Welligkeitsspannungs- oder Haltezeitcharakteristik erfüllt oder übertrifft.

Und noch ein letzter Punkt: Bei jedem Hochleistungsgerät sollte berücksichtigt werden, ob und wenn ja, welche Art von Kühlung vorhanden ist. Bei der Auswahl eines geeigneten DC-Link-Kondensators sollte besonders auf das Umgebungstemperaturprofil geachtet werden.

Kondensatoren für anspruchsvolle Wechselrichterkonstruktionen

Es gibt verschiedene Arten von Kondensatoren auf dem Markt. Nicht alle sind jedoch für Hochspannungswechselrichter geeignet. Die Auswahl geeigneter mehrschichtiger Keramikkondensatoren mit den gewünschten Spannungs-, Temperatur- und Zuverlässigkeitseigenschaften ist sehr begrenzt. Elektrolytkondensatoren sind für DC-Link-Anwendungen geeignet – aber leider nicht alle. Herkömmliche Folienkondensatoren waren in der Vergangenheit durch niedrige Betriebstemperaturen begrenzt, aber die Technologie hat sich schneller weiterentwickelt als Elektrolytkondensatoren. Die neuesten Folienkondensatoren wie C4AE von KEMET, bieten eine bessere Leistung für die Konstruktion. Kondensatoren mit metallisierter Folie sind kleiner als Elektrolytkondensatoren und bieten eine ähnliche Funktionalität. Obwohl die Spannungsstabilität durch Verwendung eines großen Elektrolytkondensators erreicht werden kann, würden große Komponenten beispielsweise die Leistungsdichte eines Kfz-Wechselrichters verringern. Die Größe und das Gewicht der Komponenten beeinflussen die Gesamtleistung und den Wert des Fahrzeugs.

Folienkondensatoren haben auch eine längere Lebensdauer als Elektrolytkondensatoren, hauptsächlich weil sie aus Metallschichten bestehen, die durch Verdampfung auf der Unterlage platziert werden. Aufgrund der hohen Energie, die zwischen den ultraleichten Metallschichten gespeichert wird, kann der interne Kurzschluss auf eine natürliche Art und Weise selbst korrigiert werden, da kleine Fehler innerhalb von Mikrosekunden ohne merkliche Leistungsänderung behoben werden.Filmkondensatoren eignen sich auch für Hochspannungs- Pulsationsanwendungen und damit verbundene Sicherheitsprobleme, da sie plötzlichen Überspannungen und Übergangszuständen standhalten können. Folienkondensatoren sind nicht polarisiert, haben möglicherweise eine längere Lebensdauer (zusätzlich verlängert durch Verringern der Nennwerte), eine erhöhte Stromtragfähigkeit, gewährleisten einen stabilen Betrieb in einem breiteren Temperaturbereich und bieten eine bessere mechanische Stabilität als Elektrolytkondensatoren. Weitere Vorteile sind eine Vielzahl von Methoden zur Montage von Folienkondensatoren. Was für Anwendungen in Hybrid- und Elektrofahrzeugen besonders wichtig ist, arbeiten Festfolienkondensatoren mit Stromschienen zusammen, die mit einer Spannung von mehr als 500 VDC versehen sind.

Ein gutes Beispiel für Filmkondensatoren, die für Hybrid- und Elektrofahrzeuge geeignet sind, sind Folienkondensatoren C1AQ von KEMET. Sie erfüllen die Anforderungen des Standards AEC-Q200 für Automobilanwendungen und bieten einige wesentliche Vorteile in Bezug auf die DC-Link-Architektur. Wie oben erwähnt, bieten die Kondensatoren C4AQ von KEMET alle hervorragenden Vorteile, die den Folienkondensatoren zugeschrieben werden. Eine Alternative zu dieser Lösung sind Filmkondensatoren C4AE von KEMET, ähnlich wie Kondensatoren der Serie C4AQ - sie sind jedoch nicht für den Einsatz in der Automobilindustrie vorgesehen. Andere Kondensatoren, die für DC-Link-Anwendungen außerhalb der Automobiltechnik geeignet sind, umfassen das Modell CKC Ceramic KC-LINK und Folien-Dosenkondensatoren C44U und C4DE.

Die Betriebsüberwachung kann für den ordnungsgemäßen Betrieb von Hochleistungswechselrichtern von entscheidender Bedeutung sein. Es ist erwähnenswert, dass Hochstromsensoren der Serie CT von KEMET eine Echtzeit-Strommessung im Kabel unter Spannung ermöglichen.

Wie oben gezeigt, kann die Auswahl des richtigen DC-Link-Kondensators ein schwieriger, aber äußerst wichtiger Prozess sein. KEMET bietet zusammen mit TME Produkte und Hilfe, um diesen Prozess zu verbessern.

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