Die Qual der Wahl für Wechselrichter
Kondensatoren bestimmen die Lebensdauer
Wer an den Aufbau von Wechseltrichtern denkt, dem fallen zuerst Komponenten wie Leistungshalbleiter und Mikrocontroller für die Steuerung ein. Doch wer einen Wechselrichter realisieren will, der eine hohe Effizienz und eine hohe Lebensdauer erreicht, muss sich auch sehr sorgfältig um die Auswahl der richtigen Kondensatoren kümmern.
Die Kondensatoren, insbesondere in Hochstromanwendungen wie z.B. im Zwischenkreis, können dem Designer von Wechselrichtern Kopfzerbrechen bereiten. Sie sollten einen geringen effektiven Serienwiderstand und kleine effektive Serieninduktivitäten aufweisen und beständig gegenüber großen, hochfrequenten Strömen sein. Hoher Isolationswiderstand, hohe Kapazitätswerte und die thermische und elektrische Stabilität sind weitere wichtige Forderungen.
Bei Elkos nimmt die frequenzabhängige Kapazität bei höherer Frequenz ab, dafür erhöht sich die Stromtragfähigkeit. Neben der Lebensdauer (Elko-Kapazitätsreserve oft bis +30 % angesetzt, da Ende der Lebenszeit meist bei -20 % des C-Wertes kalkuliert ist) bildet die erforderliche Stromstärke (Ripple-Strom) das entscheidende Auswahlkriterium. Daher werden häufig höhere Kapazitätswerte erforderlich, als dies für die Glättung nötig wäre.
Diese Forderungen zeigen vor allem eines: Elektrolytkondensatoren sind für den Einsatz im Zwischenkreis nicht immer die richtige Wahl. Vor allem mit zunehmendem
Anspruch an Temperatur, Ripple und Spannung erreichen sie nicht mehr effizient die erforderliche Lebensdauer. Hier können die Folienkondensatoren ihre Vorteile ausspielen. Sie halten länger, weil sie nicht austrocknen können, sie sind temperaturbeständiger, zeichnen sich durch eine höhere Stromtragefähigkeit aus, zeigen ein besseres Frequenzverhalten und sind selbstheilend (unempfindlicher gegenüber Überspannungspeaks).
Weil die Nennspannung von Elektrolytkondensatoren maximal 500 Vdc beträgt, müssen zwei oder mehr Elkos in Serie geschaltet werden, wenn höhere Spannungen benötigt werden. Außerdem zeigen Folienkondensatoren ein erheblich besseres ESR-Verhalten: Sind beispielsweise 500 µF bei 700 Vdc und 10 kHz gefordert, dann reicht ein Folienkondensator, der einen ESR von etwa 2,5 mOhm aufweist. Allerdings sind für dieselbe Anwendung zwei Elektrolytkondensatoren erforderlich, die dann etwa 120 mOhm ergeben; das ESR-Verhältnis von Folienkondensator zu Elko liegt also bei etwa 1 : 50. Für die Folienkondensatoren spricht außerdem ihr kleinerer dielektrischer Verlustfaktor und die geringere Frequenzabhängigkeit, was bei hochfrequenten Störströmen das entscheidende Kriterium ist.
Jürgen Geier, bei Rutronik für technischen Support für Kondensatoren zuständig, erklärt an einem konkreten Beispiel den Unterschied zwischen den Kondensatortypen: Bei einem dreiphasigen Wechselrichter (50 Hz, 1000 Vdc, Ripple Voltage 100 V max., Kapazität 500 µF min., Ripple-Strom 50 A, 300 Hz und 75 °C Umgebungstemperatur) wären immerhin 9 Elkos (3 serielle jeweils dreimal parallel geschaltet) erforderlich, die ein Volumen von 2,95 l einnehmen. Dagegen benötigt man nur zwei Folienkondensatoren (1,58 l), deren Kapazitätswerte zudem über viele Jahre stabil bleiben.
Diese Vorteile haben allerdings auch einen Preis: Die beiden Folien-Typen kosten immer noch mehr, als die neun Elkos. Und wenn man Elkos unter den entsprechenden Betriebsbedingungen betreibt, erreichen sie durchaus eine Lebenszeit von 90.000 Stunden, was ungefähr 10 Jahren entspricht. Dann fragt sich nur, ob dies für den Einsatz im entsprechenden Wechselrichter ausreicht. Das muss eben von Fall zu Fall entschieden werden.
An der Auswahl mangelt es den Anwendern jedenfalls nicht. Was die Elektrolytkondensatoren betrifft, führt Rutronik im Bereich der High-Reliability-Produkte die Typen von Kemet, Panasonic und Rubycon im Programm. Geier weist darauf hin, dass Rubycon der einzige Hersteller ist, der Lebensdauer-Angaben unter Ripple-Last macht, was für den Einsatz in der Praxis sehr wichtig ist. Im Bereich der Standard-Elkos liefert Rutronik die Kondensatoren von Samwha und Yageo, alternativ auch Jamicon.
Im Sektor der Folienkondensatoren steht Kemet an erster Stelle, hier wird nun aber auch Vishay stark. Wima ist vor allem im Markt für Produkte mit sehr hoher Qualität bekannt aktiv.
Lesen Sie mehr zum Thema
