Axiale Aluminium-Elektrolyt-Kondensatoren für hochbelastete DC-Zwischenkreise

Bei der Entwicklung kompakter Traktionswechselrichter für die Mikromobilität und industrielle Antriebstechnik erfordern steigende Systemspannungen leistungsfähigere Zwischenkreiskondensatoren zur Stabilisierung. Um diese infrastrukturelle Herausforderung zu bewältigen, führt die TDK Corporation neue Serien von Aluminium-Elektrolyt-Kondensatoren in axialer und Lötstern-Ausführung ein, die hohe Rippleströme in hochdynamischen DC-Bordnetzen puffern.

Ingenieurtechnischer Kontext
Elektrische Antriebssysteme in kompakten Elektrofahrzeugen (xEVs), Gabelstaplern und humanoiden Robotern erzeugen im Betrieb hochfrequente Stromschwankungen. Diese Rippleströme belasten den DC-Zwischenkreis (DC-Link) thermisch und mechanisch, was in traditionellen Designs häufig die Reihenschaltung mehrerer Kondensatoren mit geringerer Nennspannung erfordert. Diese Schaltungstopologie erhöht den Platzbedarf auf der Leiterplatte erheblich und führt gleichzeitig zu unerwünschten parasitären Induktivitäten und Widerständen. Eine Erhöhung der Nennspannung der Einzelbauteile ist für Ingenieure daher entscheidend, um den Schaltungsaufwand zu minimieren, die Verlustleistung zu senken und die Systemzuverlässigkeit in Umgebungen mit schnellen Lastwechseln sicherzustellen.

Technische Erklärung
Die Baureihen B43693 und B43793 sind für Nennspannungen von 125 V bis 250 V ausgelegt und unterstützen Rippleströme von bis zu 21,6 A. Diese Spannungsfestigkeit macht eine Reihenschaltung in 96-V-Systemdesigns überflüssig. Parallel dazu ergänzen die Serien B41687 und B41787 das Spektrum im Niederspannungsbereich mit neuen 63-V-Varianten. Die Kondensatoren weisen einen niedrigen Ersatzserienwiderstand (ESR) auf, wodurch die Wärmeentwicklung innerhalb des Inverter-Zwischenkreises bei hohen Strombelastungen sinkt.

Durch das mechanische Design mit axialen Anschlüssen oder Lötsternen lassen sich die Bauelemente flexibel in die Schaltungsarchitektur integrieren – sei es horizontal, vertikal, auf klassischen Leiterplatten oder direkt an massiven Stromschienen. Die Konstruktion erlaubt zudem eine direkte thermische Ankopplung des Aluminiumgehäuses an einen Kühlkörper, was die Ripplestrom-Tragfähigkeit signifikant steigert. Beispielsweise erhöht sich der maximal zulässige Ripplestrom eines 18 x 30 mm großen Bauteils bei einer Umgebungstemperatur von 105 °C von 5,2 A auf 11,1 A, wenn das Gehäuse aktiv auf 105 °C gekühlt wird.

Produktrelevanz
Durch die erhöhte Nennspannung und die verbesserte Wärmeableitung können Entwickler von Leistungselektronik die Anzahl der benötigten Kondensatoren pro Energiebank reduzieren. Dies senkt die Montagekosten direkt und erhöht die Leistungsdichte des Gesamtsystems. Die physikalischen Eigenschaften umfassen einen Kapazitätsbereich von 56 µF bis 650 µF für die 125-V-Ausführungen und 510 µF bis 4800 µF für die 63-V-Serien. Die Bauelemente bieten eine Brauchbarkeitsdauer von 2500 Stunden bei Betriebstemperaturen von bis zu 140 °C (125-V-Varianten) beziehungsweise 150 °C (63-V-Varianten). Die mechanische Vibrationsfestigkeit von standardmäßig 20 g, die auf Anfrage auf 60 g erhöht werden kann, gewährleistet die strukturelle Stabilität in rauen Industrie- und Automobilumgebungen. Alle Serien sind vollständig RoHS-kompatibel.

Reale Anwendungen
Die Kondensator-Serien sind spezifisch für den Einsatz in hochbelasteten, bauraumkritischen Leistungselektroniken konzipiert. In der Automobil- und Industrie-Elektronik fungieren sie als zentraler Energiepuffer in kompakten Umrichtern für die Mikromobilität, wie beispielsweise in elektrischen Zweirädern oder Elektrobooten. In der Intralogistik stabilisieren sie die 48-Volt- und 80-Volt-Bordnetze elektrisch angetriebener Gabelstapler. Darüber hinaus ermöglichen die geringen Baugrößen, die von 16 x 25 mm bis 21 x 49 mm reichen, die nahtlose Integration in die stark reglementierten Gelenkantriebe und Energieverteilungssysteme von humanoiden Robotern.

Zusätzlicher Kontext
Dieser Abschnitt detailliert technische Spezifikationen und Wettbewerbs-Benchmarking, die nicht in der ursprünglichen Produktankündigung enthalten sind.

Im Marktsegment der Zwischenkreiskondensatoren für Spannungen unter 150 V konkurrieren klassische Aluminium-Elektrolyt-Kondensatoren direkt mit Folienkondensatoren und Polymer-Hybrid-Kondensatoren. Während Folienkondensatoren einen extrem geringen ESR aufweisen und hohe Spannungsspitzen tolerieren, bieten Aluminium-Elektrolyt-Kondensatoren eine deutlich höhere Kapazitätsdichte pro Volumen, was bei Frequenzen im niederen Kilohertz-Bereich oft zwingend erforderlich ist, um die Spannungswelligkeit zu glätten.

Der Technologietrend zu 48-V- und 96-V-Architekturen in der Automobilindustrie erfordert Komponenten, die bei diesen Niederspannungen sehr hohe Ströme handhaben können, da für die gleiche elektrische Leistung mehr Strom fließen muss als bei Hochspannungssystemen. Konkurrierende Lösungen von Herstellern wie Panasonic oder Rubycon setzen im Automotive-Bereich oftmals auf Polymer-Hybrid-Kondensatoren, die jedoch bei den benötigten hohen Gesamtkapazitäten über 1000 µF in der Kostenskalierbarkeit an Grenzen stoßen. Die Kombination aus hoher Kapazität, mechanisch robuster axialer Montage und der Möglichkeit zur direkten Gehäusekühlung positioniert die TDK-Serien als pragmatische und effiziente Alternative zur Bewältigung der hohen thermischen Verluste in modernen Traktionsanwendungen.

Herausgegeben von Maria Brueva, Induportals-Redakteurin – angepasst durch KI.

www.tdk-electronics.tdk.com