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34 DESIGN&ELEKTRONIK 06 2020 Gemäß diesen Anforderungen erarbeitete FTCAP zusammen mit den Projektpartnern mehrere unterschiedliche Konzepte die die einzelnen Anforderungen unterschiedlich gut erfüllten Aufgrund verschiedener Simulationen und Belastungsprofile fiel die Wahl schließlich auf ein Modell bei dem sich alle Leistungsmodule auf einer Ebene befinden Das vereinfacht den mechanischen Aufbau und die Montage Der Kühlkörper befindet sich auf der Oberfläche des Kondensators Durch diese großflächige Anbindung lassen sie sich bestmöglich kühlen Die Verteilung der DC-Spannung lässt sich innerhalb des Kondensators verwirklichten Die DCStromschienen und die dazugehörigen Verbindungen sind im Kondensator integriert und durch den gemeinsamen Verguss geschützt Es muss nur ein gemeinsamer externer DC-Anschluss montiert werden Die benötigte Fläche beträgt etwa 29 cm × 21 cm Dadurch fällt die Architektur auch besonders flach aus was sich vorteilhaft auf die Kühlung und Auslegung des Kondensators mit flachen Wickeln auswirkt Flache Wickel haben einen niedrigen Innenwiderstand ESR und generieren deshalb bei hohen Wechselströmen auch entsprechend wenig Eigenwärme Durch die kurzen elektrischen Verbindungen lassen sich die Leistungshalbleiter niederinduktiv anbinden was wegen der hohen Schaltfrequenzen sehr wichtig ist Da die Teilstrukturen des Kondensators modular und gleichartig aufgebaut sind lässt er sich auch für andere Anwendungen erweitern oder auch reduzieren ■ Innerer Aufbau der Kondensatoren Zum Einsatz kommen Filmkondensatoren aus Polypropylen mit einer Zink-Metallisierung die aus mehreren gewickelten Einzelkondensatoren bestehen Dadurch lässt sich die Baugruppe deutlich flexibler gestalten sowohl bezüglich der Anschlüsse als auch der Gehäuseform Die elektrische Konstruktion basiert auf den Vorgaben von Kapazität und Spannung Da die Fläche einer Kondensatorbank durch die Größe der darüber liegenden Leistungsmodule festgelegt war mussten die Kondensatorwickel möglichst flach über diese Fläche verteilt werden Aufgrund des Seitenverhältnisses fiel die Wahl auf vier nebeneinander stehende Wickel Diese wurden aus einer 2 4 µm starken und 18 mm breiten Polypropylenfolie gefertigt die mit einer keilförmigen Zink-Metallisierung 3 Ω 37 Ω speziell für dieses Projekt angefertigt wurde Damit erreicht ein Wickel eine Kapazität von 78 75 µF Jeweils zwei Wickel sind innerhalb einer Bank parallel geschaltet Damit hat eine einzelne Bank eine Kapazität von 2×157 5 µF Für den gesamten Kondensator der aus vier parallel geschalteten Bänken besteht ergibt sich daraus eine Kapazität von 2×630 µF Bild 2 Die internen elektrischen Verbindungen zwischen den Kondensatorwickeln und den Anschlussterminals werden weitestgehend aus Kupferblechen hergestellt Der Kondensator weist diverse technische Neuerungen auf die in dieser Form bei FTCAP bislang noch nicht angewandt wurden Eine Besonderheit ist der direkt mit den Wickeln vergossene Kühlkörper Bild 1 Der Kondensator bildet mit dem aufgesetzten Kühlkörper und dem Gehäuse eine integrierte mechanische Einheit Bild 2 Der H3Top-Kondensator besteht insgesamt aus vier parallel geschalteten Bänken im Bild eine reduzierte Hardware mit zwei Bänken für 80 kW der eine optimale Wärmeabfuhr gewährleistet Somit lassen sich die Halbleitermodule direkt auf dem Kühlkörper und trotzdem in unmittelbarer Nähe zum Kondensator verschrauben Weiterhin wurden für den Anschluss und die Verteilung der DC-Spannung erstmalig flexible Stromschienen verwendet die speziell für dieses Projekt entwickelt wurden Auch die mit 2 4 µm sehr dünne Polypropylenfolie ist ein Novum hat aber alle Erwartungen voll erfüllt insbesondere bezüglich der Spannungsfestigkeit Zuletzt ermöglicht das direkte Vergießen des Kondensators in das Umrichtergehäuse einen kompakten Aufbau mit relativ geringem Volumen So ließen sich Materialaufwand und Kosten einschränken ■ Fazit Insgesamt konnte FTCAP die für den Kondensator definierten Zielsetzungen niedrige Induktivität modularer Aufbau Integration von Kühlkörper und DCStromschienen erfüllen Der Prototyp war innerhalb des Projekts die Voraussetzung für die Errichtung von kompletten Umrichtereinheiten mit denen die Projektpartner umfangreiche Messungen durchführen konnten Diese Forschungsergebnisse dienen den Herstellern der anderen Baugruppen insbesondere der Leistungshalbleiter als Grundlage zur Weiterentwicklung ihrer Technologien Über das Projekt hinaus werden die im Projekt H3Top erarbeiteten Erkenntnisse auch bei FTCAP im Hause für weitere Forschungsund Entwicklungsarbeiten genutzt werden denn die Entwicklung im Bereich der Elektromobilität schreitet kontinuierlich voran rh passive bauelemente Zwischenkreiskondensator www designelektronik de