CeraLink ermöglicht kompakte und flexible Motor-Inverter

Applications & Cases
Leistungskondensatoren für den Zwischenkreis
Oktober 2015
CeraLink ermöglicht kompakte
und flexible Motor-Inverter
Scienlab electronic systems hat einen neuen Motor-Inverter entwickelt,
der sich durch ein kompaktes Design mit hoher Leistungsdichte
auszeichnet. Der Inverter lässt sich flexibel an ein breites Spektrum
von Anforderungen anpassen. Möglich wurde diese Entwicklung durch
den Einsatz von CeraLink™ SMD-Kondensatoren im Zwischenkreis.
Die E-Mobilität nimmt weiter Fahrt auf. Entsprechend werden immer mehr Fahrzeuge mit energieeffizienten und
emissionsfreien Antrieben ausgestattet. Neben Personenkraftwagen gehören dazu auch kleinere Nutzfahrzeuge oder
Flurförderzeuge wie Gabelstapler und automatische Transportsysteme in der Industrie.
Entsprechend steigt der Bedarf an kompakten, leichten und gleichzeitig leistungsstarken Antrieben für diese
Fahrzeuge an.
Innovatives Inverter-Design
Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, hat die Scienlab electronic systems, ein Spezialist für
Leistungselektronik mit Sitz in Bochum, einen Inverter mit einem Volumen von nur 2 Litern entwickelt. Das Gerät hat
eine Nennleistung von 40 kW und ist für Betriebsspannungen von 290 V DC bis 420 V DC ausgelegt. Damit eignet sich
dieser Inverter für eine breite Palette von Anwendungen, zu denen auch die oben genannten zählen. Die Hardwareund Software-Strukturen des Inverters erlauben eine sehr hohe Dynamik der Ausgangsströme und somit auch eine
sehr dynamische Fahrzeugleistung.
Das Design des neuen Motor-Inverters umfasst die vier Hauptfunktionseinheiten Steuerkreis, Treiber,
Leistungselektronik und das robuste Gehäuse mit den Anschlüssen. Der Inverter ist mit einem IGBT-Modul mit einer
vollgesteuerten Dreiphasen-Brückenschaltung (B6) ausgestattet, während der Zwischenkreis als Voraussetzung für
das kompakte Design mit innovativen CeraLink-Kondensatoren realisiert wird (Abbildung 1). Aufgrund seines
modularen Designs lässt sich der Inverter an kundenspezifische Leistungsanforderungen anpassen. Beispielsweise
kann mit nur minimalen Veränderungen an der Treiberplatine ein leistungsstärkeres IGBT-Modul eingesetzt werden.
Auch lässt sich die eigenständige Zwischenkreis-Platine einfach mit einer größeren Anzahl von CeraLinkKondensatoren erweitern. Dabei sind am Steuerkreis keine Änderungen erforderlich. Zudem wurde die Software des
Inverters auf Basis eines Controllers für Automotive-Anwendungen mit einer Toolchain realisiert. Dieses adaptive
Entwicklungsverfahren ermöglicht kundenspezifische Softwareanpassungen ohne tiefe Eingriffe in die
Softwarestruktur.
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Abbildung 1: Blockschaltbild des Scienlab Inverters mit CeraLink
Für den Zwischenkreis werden insgesamt 36 CeraLink Kondensatoren parallel geschaltet.
Leistungsmerkmale des Inverters
Damit sich der Inverter für E-Mobilitätsanwendungen eignet, können für das neue Design nur Automotive-qualifizierte
Bauelemente verwendet werden, die außerdem sehr kompakt sein müssen, um die erforderliche Leistungsdichte zu
erreichen.
Scienlab erfüllt diese Anforderungen durch den Einsatz eines wassergekühlten IGBT-Moduls mit kleiner Chip-Fläche.
Auch die Konfiguration der Controller- und Treiber-Platine wurde auf geringen Flächenbedarf optimiert. Besondere
Aufmerksamkeit hat Scienlab dem Volumen und der Leistung des Zwischenkreises als einer der größten Baugruppen
des Inverters gewidmet.
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Kompakter und flexibler Zwischenkreis dank CeraLink
Scienlab hat sich für CeraLink-Kondensatoren für den Zwischenkreis entschieden, die sich durch eine sehr hohe
Kapazitätsdichte von bis zu 5,5 µF/cm³ auszeichnen (Abbildung 2). „Im Vergleich zu anderen Kondensatortechnologien
bietet CeraLink die beste Kombination aus Kapazitätsdichte und Wechselstrombelastbarkeit“, erklärt Dr.-Ing. Christoph
Dörlemann, Managing Director bei Scienlab. Damit sind kompakte Gehäuseabmessungen möglich, ohne bei der
Leistung im Zwischenkreis Kompromisse eingehen zu müssen. "Und so hebt sich unser Motor-Inverter von anderen
Designs ab", sagt er. Insgesamt werden im Inverter 36 CeraLink-Kondensatoren mit einer Kapazität von jeweils 5 µF
verwendet; sie ergeben parallel geschaltet eine Gesamtkapazität von 180 µF.
Abbildung 2: Kapazitätsdichte und Wechselstrombelastbarkeit nach Kondensatorvolumen
CeraLink ist die Kondensatortechnologie der Wahl, wenn es um Anwendungen geht, die eine hohe Kapazitätsdichte und
kompakte Bauform sowie eine hohe Wechselstrombelastbarkeit erfordern.
Diese neuen Kondensatoren basieren auf PLZT-Keramik (Lead Lanthanum Zirconate Titanate). Im Gegensatz zu
konventionellen Keramik-Kondensatoren liegt beim CeraLink das Kapazitätsmaximum bei der Nennspannung und
steigt sogar mit zunehmendem Anteil der Ripple-Spannung an. Dank der kompakten CeraLink-Kondensatoren war es
möglich, das Volumen des DC-Links im Vergleich zu konventionellen Kondensator-Technologien um den Faktor drei
bis vier zu verringern.
Die Kondensatoren sind für eine Betriebstemperatur von -40 bis +125 °C ausgelegt und können kurzzeitig auch mit
150 °C beaufschlagt werden. Der Einsatz mehrerer einzelner Kondensatoren erlaubt nicht nur eine größere Flexibilität
in der Anordnung der Bauelemente, sondern vergrößert auch die Oberfläche der Kondensatoren, wodurch die
Wärmeableitung verbessert wird. Damit ist es möglich, selbst bei hohen Umgebungstemperaturen passive
Kühlverfahren für die Kondensatoren zu nutzen.
Extrem geringer ESR und ESL
Ein weiteres Designziel von Scienlab bestand darin, ESR und ESL im Zwischenkreis so gering wie möglich zu halten.
Dazu Dörlemann: „Dank des extrem niedrigen ESL-Wertes von nur 2,5 nH der CeraLink-Kondensatoren konnten wir
Spannungsüberhöhungen und hochfrequente Schwingungen beim Schalten der IGBT-Module drastisch verringern und
so die Systemleistung des Inverters wesentlich erhöhen.“ Zudem nutzt Scienlab eine speziell entwickelte MultilayerPlatine, um die Kondensatoren mit sehr niedriger Impedanz parallel zu schalten. Der ESR-Wert beträgt bei 1 MHz nur
3 mΩ. Dadurch wird die Verlustleistung und damit die Erwärmung im Zwischenkreis wesentlich reduziert. Der ESRWert sinkt sogar mit steigender Frequenz und Temperatur, so dass bei hohen Temperaturen bis 150 °C und bei hohen
Schaltfrequenzen ein sehr effizienter Betrieb gewährleistet ist.
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Tabelle: Produktportfolio TDK CeraLink™
Baureihe
Nennkapazität / Nennspannung
SMD Low-Profile (LP)
1 μF / 500 V
0,5 μF / 700 V
0,25 μF / 900 V
SMD-Serie (SMD)
5 μF / 500 V
2,5 μF / 700 V
1,25 μF / 900 V
Lötstiftkontakte (SP)
20 μF / 500 V
10 μF / 700 V
5 μF / 900 V
Entwickelt für IGBTs mit Nennspannungen von
650 V / 705 V
900 V
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1300 V
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