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Technischer Trend von Leistungs-Filmkondensatoren für industrielle Anwendungen

Printing is from here power film capacitors

Einleitung

In den letzten Jahren wurde die Problematik der globalen Erwärmung und die deshalb geforderten Energieeinsparungen als eine von zahlreichen Gegenmaßnahmen immer mehr zum weltweiten Thema. Nicht zuletzt durch das Unglück des Atomkraftwerkes in Fukushima aufgrund eines Erdbeben im Nordosten von Japan haben es sich zahlreiche Länder dieser Erde zur Aufgabe gemacht Ihre Energiepolitik ernsthaft zu überdenken um entsprechende Maßnahmen zu setzen und erneuerbare Energien wie Solar- oder Windkraft zu fördern und auszubauen.
Aktuell schreitet die Umrichter Technologie voran und ermöglicht für unterschiedlichste industrielle Applikationen ein präzises Erfassen und Kontrollieren des Energieverbrauchs bei gleichzeitigem Anstieg der Verwendung von Filmkondensatoren.

power film capacitors
Bild-1: Rubycons Leistungs-Filmkondensatoren

(1) Lange Lebensdauer sowie Wartungsfreiheit
(2) Exzellente Frequenzcharakteristik sowie geringe Verluste bei geringem Temperaturanstieg
(3) Hohe Spannungsfestigkeit
(4) Exzellente Selbstheilungs-Mechanismen und dadurch sehr sicher in der Anwendung
Bild 1 zeigt Beispiele von Rubycons Leistungs-Filmkondensatoren (Entwicklung & Produktion von Rubycon Electronics Inc.) Rubycon arbeitet aktiv an der Entwicklung einer neuen Klasse von Leistungs-Filmkondensatoren mit höchster Performance & Zuverlässigkeit mit Schwerpunkt auf Miniaturisierung, Gewichtsreduktion bei wettbewerbsfähigen Kosten
 
Dieser Bericht befasst sich mit Film Kondensatoren und den wichtigsten Spezifikationen wie “Miniaturisierung”, “niedriger ESR”, & “niedriger ESL” aus Sicht der Entwicklung.

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Aufbau der Kondensatoren, Ersatzschaltbild

Metallisierte Filmkondensatoren sind wie folgt aufgebaut: Durch ein Vakuum-Bedampfungs-System wird eine metallisierte Folie aus der Rohkunststofffolie und aufgedampften Metall hergestellt. Danach erfolgt ein Zuschneiden in definierter Breite abhängig vom geplanten Kondensatorwickel. Nach dem Aufwickeln der einzelnen Kondensatorelemente wird der Wickel geplättet (Dampfpressen) auf den Enden wird Metall aufgesprüht “Schoopieren” um danach die externen Anschlüsse anzuschweißen (bzw. löten).
Eine wesentliche Eigenschaft der metallisierten Filmkondensatoren ist der Selbstheileffekt. Im Falle von Überspannung oder aber bei Schwachstellen im Dielektrikum sorgt eine kontinuierliche Oxydation aufgrund der vorhandenen Energieladung dazu dass die Schwachstelle repariert wird. Seit kurzem versucht man weitere Sicherheitsfunktionen zu realisieren indem man die metallisierte Fläche teilsegmentiert um dadurch die Zuverlässigkeit des Kondensators weiter erhöht.

Bild-1
Bild-1

Bild 1 stellt die Struktur eines Metallisierten Filmkondensators dar. Viele durch Sicherungsbrücken verbundene Teilsegmente gewährleisten eine hohe Sicherheit dieses Filmkondensators.
Im Falle einer Überbelastung welche die Grenzen der Selbstheilmöglichkeiten überschreitet sorgen die Sicherungen dafür dass nur das betroffene Teilsegment des Filmkondensators vom aktiven Bereich getrennt wird und somit der Rest des Kondensators geschützt bleibt.
Die Performance von metallisierten Filmkondensatoren hängt überwiegend vom Dielektrikum (Film), der Art der Metallisierung sowie dem Widerstand und Aufbau ab.

Bild-2: Querschnitt eines Filmkondensators
Bild-2: Querschnitt eines Filmkondensators

Bild 2 zeigt den Querschnitt eines metallisierten Filmkondensators. Metall wird dabei aufgedampft um die interne Elektrode mit den Anschlüssen zu verbinden. Bei unzureichender Kontaktierung steigt der ESR und die Strombelastbarkeit sinkt. Deshalb ist die Methode & Qualität dieses Produktionsschrittes ausschlaggebend für die Performance des Filmkondensators.

Bild 3: elektrisches Ersatzschaltbild eines Filmkondensators
Bild 3: elektrisches Ersatzschaltbild eines Filmkondensators

Bild 3 stellt das elektrische Ersatzschaltbild eines Filmkondensators dar. Im Falle eines idealen Kondensators sehen wir ausschließlich “C”, aber ein aktueller Kondensator besitzt auch einen Isolationswiderstand IR wo wir einen geringen Stromfluss beobachten können sowie einen ESR (elektrischer Serienwiderstand) zusammengesetzt aus dem Widerstand des Dielektrikums, dem Kontaktwiderstandes der metallisierten Fläche, der Stromschiene, dem thermischen Widerstand, etc.

Im Falle einer Belastung des Kondensators mit hochfrequentem Strom erfolgt eine Erwärmung aufgrund proportional zum ESR steigender Verlustleistung (siehe Formel 1). Bei zu starker Erhitzung wird der ganze Betrieb eingeschränkt bzw. die Lebensdauer des Filmkondensators wird dadurch reduziert. Die Induktivität der Anschlüsse sowie der Verbindung der Stromschiene beeinflussen letztlich den ESL (elektrische Serieninduktivität) des Kondensators. Im Falle eines hohen ESL besteht die Gefahr von Überspannungen während der Schaltzyklen der IGBTs.

Formel 1: Temperaturanstieg im Filmkondensator

Pe=I2 RESR«Pe=rms Power(W)  I=Stromfluss durch den Kondensator(Arms)»

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Miniaturisierung

Das Volumen des Filmkondensators ist ungefähr proportional zum Quadrat der Dicke des Dielektrikums. Daher gilt das Ziel eine möglichst dünne Filmschicht zu verwenden um einen maximalen Grad der Miniaturisierung zu erreichen. Allerdings birgt eine dünne Filmschicht Gefahren (maximale Spannungsverträglichkeit in Abhängigkeit der Filmschicht) und die generelle Spannungsbelastbarkeit sinkt ebenso wie die Zuverlässigkeit des Kondensators. Die Metallisierungsprozesse sind letztlich ausschlaggebend um solchen potentiellen Gefahren entgegenzuwirken und stellen daher einen extrem wichtigen Produktionsschritt dar.
Rubycon fokussiert speziell auf die kontinuierliche, innovative Verbesserung des Metallisierungsprozesses durch Optimierung des Materials, des Widerstandes sowie Sicherheitsmaßnahmen wie z.B. durch Teilsegmentierung.
Bild 4 zeigt den Fortschritt der Miniaturisierung von metallisierten Polypropylen Filmkondensatoren (MPP) bei gleicher Spannungsklasse. Allein seit dem Jahr 2000 konnten, durch gezielte Entwicklung extreme Fortschritte der Miniaturisierung mit einer Volumensreduktion auf 1/10 erreicht werden.

Figure-4: Volumetric transition of metalized polypropylene film capacitor
Figure-4: Volumetric transition of metalized polypropylene film capacitor

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niedriger ESR

Der elektrische Serienwiderstand (ESR) besteht überwiegend aus dem Metall Material selbst sowie dem Kontaktwiderstand zwischen der metallisierten Fläche und dem Metallspray zur Kontaktierung der Anschlüsse.
Ein Designschwerpunkt liegt einzig darin den ESR fortschreitend zu reduzieren. Da allerdings Filmkondensatoren auch mit Sicherheitsfunktionen ausgestattet sind bestehen auch hier Gefahren dass bei unzulänglichem Design dieser, der ESR steigt (z.B. durch Störungen aufgrund von Stromfluss bei den Sicherungen zwischen den Teilsegmenten). Daher liegt ein Schwerpunkt in der Entwicklung und Erforschung von neuen Rohmaterialen, verbesserten Kontakttechnologien sowie der Überarbeitung des kompletten Designs von Filmkondensatoren.

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niedriger ESL

Bei Bedarf an großen Kapazitätswerten für z.B. Filterapplikationen ist es üblich viele Filmkondensatoren über Stromschienen miteinander zu verbinden und parallel zu schalten.
Aufgrund der Stromschienen wird aber der ESL negativ beeinflusst und steigt. Als Gegenmaßnahme muss über die Optimierung der Stromschienen nachgedacht werden indem diese entsprechend angepasst werden, z.B. durch Veränderung der Materialstärke

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Produktübersicht

Rubycon bietet nachfolgende, in Tabelle 1 beschriebene, Hauptserien an welche für unterschiedlichste industrielle Applikationen eingesetzt werden:
(1) MPC Serie in rechteckiger Ausführung (Filter, Snubber Schaltkreise)
(2) MPV Serie im zylindrischen Plastik Gehäuse (Eingangsfilter)
(3) HVC Serie als Modulaufbau mehrerer Filmkondensatoren (Automobil EV, HEV & Filterapplikationen)

Series NameMPCMPVHVC
AppearanceMPCMPVHVC
FeaturesMiniature
Special terminals are available
Cylindrical element implementedLarge capacitance is available
with internal elementes
connected in parallel
Main applicationsInverter filtering
Snubber circuit
PV inverter
Wind mill inverter
EV&HEV inverter
Various Inverter filtering
Voltage and
Capacitance Range
200VAC/1µF ~100µF
1600VDC 0.47µF ~2.2µF
250V~1200VDC /47~1500µF
250V~800VAC/47~1500µF
250V~2000VDC
100~2200µF
Category
Temperature Range
-40 ~ +85ºC-40 ~ +85ºC-40 ~ +85(+105)ºC
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Zukünftige Entwicklung

Umrichter Applikationen verwenden derzeit überwiegend Halbleiter auf Silikonbasis allerdings werden einige Silikon Karbide (SiC) in Zukunft nicht mehr verwendet. Für derartige zukünftige Designs werden neue Kondensatoren mit einem erweiterten Temperaturbereich, besserer Performance und noch kleinerer Bauform benötigt.
Rubycon entwickelt & forscht aktiv im Bereich der Film – Dünnschicht-Metallisierungs-Technologie und entwickelt regelmäßig neue Leistungs-Filmkondensatoren mit höherer Spannungsbelastbarkeit, niedrigerem ESR sowie niedrigerem ESL.

※Dieser Artikel wurde mit Modifikationen in der „Dempa Shimbun „ vom 18.8.2011 unter der Rubrik“High technology” veröffentlicht

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