Hochspannungs-Folienkondensatoren zur Unterdrückung elektromagnetischer Störungen in der Automobiltechnik

Leistungselektronische Systeme in Elektrofahrzeugen, Schnellladeinfrastrukturen und industriellen Antrieben arbeiten zunehmend mit hohen Zwischenkreisspannungen und schnell schaltenden Halbleitern mit großer Bandlücke. Diese Betriebsbedingungen erzeugen erhebliche elektromagnetische Gleichtaktstörungen, die gegen das Fahrzeugchassis oder die Gehäusemasse gefiltert werden müssen, ohne die galvanische Trennung oder die Betriebssicherheit unter extremen thermischen Belastungen zu beeinträchtigen.

Die TDK Corporation hat die kompakte Kondensatorserie B3201*A5/B5/C5 mit Y1-Sicherheitsklassifizierung vorgestellt. Die Bauelemente wurden entwickelt, um hochfrequente leitungsgebundene Störungen gegen Masse in Anwendungen der Elektromobilität, industriellen Frequenzumrichtern und erneuerbaren Energiespeichersystemen zu unterdrücken. Auf Basis der metallisierten Polypropylen-Folientechnologie bieten die Kondensatoren eine hohe Spannungsfestigkeit. Sie sind für 500 V Wechselspannung und bis zu 1.500 V Gleichspannung ausgelegt und erfüllen die Anforderungen der Qualifizierung nach AEC-Q200 Rev. E.

Selbstheilung des Dielektrikums und Isolationsmechanismen bei der Verbindung gegen Masse
Y-Sicherheitskondensatoren werden direkt zwischen einer Leitung und Masse geschaltet. Ein Bauteilausfall kann in dieser Konfiguration eine unmittelbare Gefahr durch elektrischen Schlag oder den Verlust der Schutzerdung darstellen. Bei der B3201-Serie verwendet TDK ein Dielektrikum aus metallisierter Polypropylenfolie (MKP). Bei einem elektrischen Durchschlag oder einer örtlich begrenzten Beschädigung des Dielektrikums verdampft die dünne Metallisierung im Bereich der Fehlerstelle innerhalb weniger Mikrosekunden. Dieser Selbstheilungsmechanismus isoliert die Durchschlagstelle und erhält die elektrische Isolationsfähigkeit, ohne einen dauerhaften Kurzschluss zu verursachen.

Die Kondensatorelemente sind in einem stabilen Kunststoffgehäuse untergebracht, das mit flammhemmendem Epoxidharz gemäß UL 94 V-0 versiegelt ist. Diese Konstruktion schützt die innere Polypropylenwicklung vor Umwelteinflüssen und ermöglicht es der Serie, anspruchsvolle Prüfungen unter Temperatur-, Feuchte- und Spannungsbelastung (THB) zu bestehen. Die Prüfbedingungen umfassen +85 °C, 85 Prozent relative Luftfeuchtigkeit und 500 V Wechselspannung über einen Zeitraum von 500 Stunden.

Technische Spezifikationen und Anschlussabstände
Die Serie B3201*A5/B5/C5 deckt einen Kapazitätsbereich von 0,47 nF bis 33 nF ab und ist in zwei wesentlichen Bauformen erhältlich:

Die elektrischen Nennwerte ermöglichen einen Dauerbetrieb bei 500 V Wechselspannung und 1.500 V Gleichspannung bis zu einer Umgebungstemperatur von +110 °C. Zwischen +110 °C und der maximal zulässigen Temperatur von +125 °C muss die Betriebsspannung linear um 1,5 Prozent je Grad Celsius reduziert werden. Die kumulierte Betriebsdauer bei dieser erhöhten Temperaturgrenze ist auf maximal 1.000 Stunden begrenzt.

Die Anschlüsse bestehen aus parallel geführten Drahtanschlüssen, die für die Wellen- und Selektivlötmontage auf Leiterplatten geeignet sind. Die Bauelemente sind unverpackt sowie in Gurtverpackungen für die Zuführung aus Magazinen oder Rollen erhältlich. Die Serie verfügt über internationale Sicherheitszulassungen, darunter ENEC-Zulassungen nach IEC/EN 60384-14, UL-Zertifizierung nach UL 60384-14, Konformität mit CSA E60384-14 sowie eine CQC-Zertifizierung nach GB/T 6346.14.

Anwendungen in der Automobiltechnik und Industrie
Moderne Hochvoltbordnetze von Elektro- und Hybridfahrzeugen (xEV) erzeugen aufgrund der steilen Schaltflanken von Leistungshalbleitern aus Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN) erhebliche Störspannungen mit hohen Änderungsraten (dV/dt). Die kompakte Bauform der B3201-Serie ermöglicht es Hardwareentwicklern, Y1-Filter zur Verbindung gegen Masse unmittelbar neben den Eingängen von Leistungsmodulen in integrierten Ladegeräten (OBC) und Gleichspannungswandlern zu platzieren. Dadurch lassen sich parasitäre Induktivitäten und die Fläche der Störstromschleifen minimieren.

In Gleichstrom-Schnellladestationen, Photovoltaik-Zentralwechselrichtern und netzgebundenen Energiespeichersystemen (ESS) dienen die Kondensatoren der primären Gleichtaktstörungsunterdrückung an den hochspannungsführenden Wechselstromleitungen. Die Qualifizierung nach AEC-Q200 Rev. E bestätigt die mechanische und thermische Belastbarkeit der Bauelemente gegenüber Temperaturschocks, zyklischen Vibrationen und mechanischer Durchbiegung der Leiterplatte.

Zusätzlicher technischer Hintergrund:
Dieser Abschnitt enthält technische Spezifikationen und einen Vergleich mit alternativen Bauelementen, die in der ursprünglichen Produktankündigung nicht aufgeführt waren.

Sicherheitskondensatoren unterliegen der internationalen Norm IEC 60384-14, die Prüfklassen anhand der Anschlusstopologie und der zulässigen Stoßspannungsfestigkeit festlegt. Die Klasse Y1 bezeichnet die höchste Sicherheitsklasse für Kondensatoren zwischen Leitung und Masse. Zertifizierte Bauelemente müssen eine Stoßspannungsprüfung mit einer Scheitelspannung von 8 kV und einer Impulsform von 1,2/50 µs ohne Durchschlag des Dielektrikums bestehen.

Für Y1-Filteranwendungen wurden traditionell häufig einlagige radiale Keramikscheibenkondensatoren, beispielsweise der AY1-Serie von Vishay, oder spezielle Mehrschicht-Keramikkondensatoren (MLCCs) eingesetzt. Keramikscheibenkondensatoren erreichen häufig Stoßspannungsfestigkeiten von mehr als 10 kV und Betriebstemperaturen bis zu +125 °C. Keramische Dielektrika, insbesondere Materialien der Klasse II mit ferroelektrischen Eigenschaften, weisen jedoch unter Gleich- und Wechselspannungsbelastung Kapazitätsverluste auf. Zudem ist ihre maximale Kapazität aufgrund konstruktiver Einschränkungen und Anforderungen an den Ableitstrom bei Standardbauformen in der Regel auf Werte unterhalb von 4,7 nF begrenzt.

Durch den Einsatz metallisierter Polypropylenfolie erreicht die B3201-Serie Kapazitätswerte von bis zu 33 nF in einem gekapselten Gehäuse. MKP-Dielektrika zeichnen sich durch einen besonders niedrigen Verlustfaktor (tan δ) und eine stabile Kapazität bei unterschiedlichen Spannungsbelastungen aus. Dadurch werden die kapazitätsbedingten Veränderungen vermieden, die bei Keramikkondensatoren mit hoher Dielektrizitätskonstante unter Spannungsbelastung auftreten können.

Im Vergleich zu herkömmlichen Y2-Folienkondensatoren, die typischerweise auf Nennspannungen von 300 V Wechselspannung und Stoßspannungsfestigkeiten von 5 kV ausgelegt sind, unterstützt die B3201-Serie höhere Netzspannungen von 500 V Wechselspannung und bietet die für die Sicherheitsklasse Y1 erforderliche Stoßspannungsfestigkeit von 8 kV.

Redaktion: Sucithra Mani, Induportals, mit Unterstützung durch künstliche Intelligenz.

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