Aluminium-Elektrolytkondensatoren für den Zwischenkreis

Der Zwischenkreiskondensator muss nicht nur die Kapazitätsanforderungen des Systems erfüllen, sondern auch den kontinuierlich steigenden Rippelströmen standhalten, da die Leistungsdichten der OBCs stetig steigen. Dadurch treten höhere Leistungsverluste auf, die das gesamte System aufheizen, was zu Leistungseinbußen und einer verkürzten Lebensdauer führen kann. Um wettbewerbsfähig zu sein, ist daher zwangsläufig ein Kühlsystem erforderlich, das auch an die Zwischenkreiskondensatoren angeschlossen ist. Um diese Anforderungen abzudecken, hat TDK die neue Großserie B43652* für OBC-Anwendungen entwickelt, die für die Basiskühlung optimiert ist und alle oben genannten Eigenschaften perfekt vereint.

Die richtige Wahl des Zwischenkreiskondensators hängt von mehreren Parametern ab. Die Nennspannung (VR) ergibt sich aus der Betriebsspannung des OBC und muss die durchschnittliche plus Spitzenwelligkeitsspannung abdecken. Für Systeme >500 V können in Reihe geschaltete Kondensatoren in Betracht gezogen werden. Der Nennwelligkeitsstrom IR, die erforderliche Lebensdauer und der Betriebstemperaturbereich ergeben sich aus dem Einsatzprofil des OBC. Der Betriebstemperaturbereich muss die zu erwartenden Umgebungstemperaturen über die gesamte Lebensdauer abdecken. Während einige Anforderungen gegeben sind und kaum geändert werden können, können einige Eigenschaften entweder vom Lieferanten oder vom Kunden optimiert werden. Die Lebensdauer eines Aluminium-Elektrolytkondensators wird hauptsächlich von seiner Kerntemperatur beeinflusst. Generell gilt, dass hohe Rippelströme und erhöhte Umgebungstemperaturen den Kondensator deutlich erwärmen und somit die Lebensdauer verkürzen. Basierend auf der Arrhenius-Gleichung als Faustregel kann man bei einer Erhöhung der Kerntemperatur um 10 K mit einer Lebensdauerverkürzung von 50 % rechnen. Um die Kerntemperaturen bei gleichen Belastungsbedingungen zu senken, kann der ESR des Bauteils und die thermische reduziert werden Das Management kann optimiert werden. Mit der B43652*-Serie hat TDK einen großen Kondensator entwickelt, der über die gesamte Lebensdauer sowohl einen sehr niedrigen ESR als auch einen verbesserten inneren Wärmewiderstand aufweist. Mit einem externen Kühlsystem, das für eine effiziente Wärmeübertragung zwischen dem Gehäuseboden des Kondensators und dem Kühlkörper sorgt, können Kunden das Maximum aus diesen Kondensatoren herausholen, d. h. eine hohe Wechselstrombelastbarkeit für eine deutlich längere Lebensdauer. Aus wirtschaftlicher Sicht sind solche Optimierungen immer der Verwendung mehrerer parallel geschalteter Kondensatoren oder Kondensatordesigns mit längerer Nennlebensdauer vorzuziehen.

Im Inneren eines Aluminium-Elektrolytkondensators befindet sich ein Wickelelement, das naturgemäß in axialer Richtung eine deutlich höhere Wärmeleitfähigkeit aufweist als in radialer Richtung. Um eine Basiskühlungsmöglichkeit zu erhalten, wurde diese Wärmeleitfähigkeit in axialer Richtung für die B43652-Serie weiter verbessert. Ein direkter Metallkontakt zwischen dem Wicklungselement und dem Dosenboden verringert den thermischen Widerstand vom Hotspot zur Dose und die verbesserte Stabilität des Dosenbodens selbst vermeidet eine Ausbeulung im Laufe der Lebensdauer, die diese thermische Verbindung beeinträchtigen würde. Da sich an der Unterseite des Kondensators normalerweise eine Druckentlastungsöffnung befindet, die ein Kühlkörper blockieren würde, wurde diese an die Seitenwand des Kondensators verlegt. Insgesamt handelt es sich bei der neuen B43652-Serie von TDK um einen seitlich belüfteten, großen Kondensator für OBC-Anwendungen mit einer Basiskühlungsoption.

Die Verbesserung dieser Designänderungen ist in Abbildung 4 zu sehen. Bei einem standardmäßigen 35 x 40 mm-Kondensator beträgt der interne Wärmewiderstand in axialer Richtung 4,49 K/W, während er für das verbesserte, seitlich belüftete Design auf 0,6 K/W reduziert wird der B43652-Serie. Auch der Gesamtwärmewiderstand vom Kern zur Umgebung verringert sich aufgrund des Metallkontakts zwischen Wicklungselement und Dosenboden um 20 % von 15,1 K/W auf 12 K/W.

In Abbildung 5 ist ein Vergleich thermischer Simulationen (Temperatur und Wärmefluss) des Designs mit Bodenbelüftung und natürlicher Verbindung (links) und dem Design mit Seitenbelüftung und Bodenkühlung (rechts) dargestellt. Bei Beaufschlagung mit 1 W pro Kondensator und 85 °C Umgebungstemperatur wird bei der ungekühlten Variante eine Kerntemperatur von 106 bis 109 °C erreicht. Betrachtet man das gleiche Szenario mit seitlicher Entlüftung und Bodenkühlung, so erhöht sich bei einer Kühlkörpertemperatur von 85 °C die Kerntemperatur der Kondensatoren nur um 3 K auf 88 °C. Dies ist etwa 20 K niedriger als bei der ungekühlten Ausführung und bedeutet eine Lebensdauerverlängerung von etwa 200 %. Beim Vergleich der Wärmeflusssimulationen ist ersichtlich, dass das Szenario mit Bodenkühlung die Wärme hauptsächlich über den Dosenboden überträgt. Es ist ein Gradient in axialer Richtung zu erkennen, der eine schwache Wärmeübertragung auf der Leiterplattenseite und eine starke Wärmeübertragung auf der Unterseite darstellt. Die ungekühlte Variante weist ein Gefälle in die andere Richtung auf, die Wärmeübertragung erfolgt hauptsächlich in Richtung der Leiterplatte. Das ungekühlte Design zeigt daher einen schwachen Wärmefluss durch die Unterseite und darüber hinaus auch einen asymmetrischen Wärmefluss für die mittleren Kondensatoren. Darüber hinaus weist die ungekühlte Version eine Streuung der Kerntemperaturen auf, was eine thermische Asymmetrie mit mittleren Kondensatoren mit höheren Kerntemperaturen bedeutet, während die basisgekühlte Version keine solche Streuung aufweist, was zu einem deutlich geringeren Eskalationsrisiko führt.

Die Gesamtverbesserungen, die in einer OBC-Anwendung erreicht werden können, sind in Abbildung 6 dargestellt. Beim Vergleich zweier B43652-Kondensatoren gleicher Größe, Nennspannung und Nennkapazität kann der basisgekühlte Kondensator mit nur 85 % mehr Welligkeitsstrom aushalten als das gleiche Design natürliche Konvektion. Während der Kondensator mit natürlicher Konvektion einen maximalen Welligkeitsstrom IAC,max von 6,11 A erreicht, erreicht die basisgekühlte Version 11,28 A. Darüber hinaus können zwei basisgekühlte Kondensatoren dem Missionsprofil bei gleichen Lastbedingungen fast doppelt so lange standhalten wie vier nicht gekühlte Kondensatoren. Basierend auf diesen Ergebnissen ist klar ersichtlich, dass die großen Kondensatoren der B43652*-Serie von TDK für OBC-Anwendungen mit einer Basiskühlungsoption optimiert sind und die Anzahl der Teile in der DC-Link-Kondensatorbank deutlich reduzieren können , was diese Serie nicht nur technisch, sondern auch wirtschaftlich interessant macht.

Klicken Sie auf die Serien B43649* und B43652*, um detaillierte Informationen zu erhalten.