Kondensatoren zählen zu den drei klassischen passiven Bauelementen in der Elektrotechnik und übernehmen vielerlei Aufgaben. Ein Kondensator hat die Fähigkeit, elektrische Energie in Form eines elektrischen Feldes zu speichern. Grundlegend besteht ein solches Bauteil aus zwei Elektroden und einem isolierenden Material, das sich Dielektrikum nennt. Die Elektroden sind dabei im Regelfall mit leitfähigen Flächen kontaktiert. Das Dielektrikum kann Luft, Papier, Kunststoff oder ein anderes Material sein.
1. Was ist ein Kondensator?
Der simpelste Kondensator ist ein sogenannter Plattenkondensator, der aus zwei leitenden Elektroden mit der Fläche A besteht, die über das Dielektrikum einen definierten Abstand von d zueinander haben. Das Dielektrikum verfügt über die materialabhängige dielektrische Leitfähigkeit, die sogenannte Permittivität ε. Diese Leitfähigkeit besteht aus der elektrischen Feldkonstante ε0 und der Permittivitätszahl εr:
\[ \varepsilon = \varepsilon_0 \cdot \varepsilon_r \]
Unter Berücksichtigung des in Abbildung 1 dargestellten Plattenkondensators ergibt sich somit für eine Kapazität C der folgende Zusammenhang:
\[ C = \frac{\varepsilon \cdot A}{d} \]
Zu den wichtigsten Rollen von Kondensatoren in Wechselrichtern zählen:
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Zwischenkreisstabilität: Der Zwischenkreis in einem Wechselrichter stellt einen Energiespeicher dar, der üblicherweise von der MPPT-Schaltung (Maximum Power Point Tracker) eingespeist wird und ein definiertes Spannungsniveau halten soll. Die Wechselrichter-Schaltung entnimmt diesem Zwischenkreis elektrische Energie, um diese in das Netz einzuspeisen.
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Filter: In einem Wechselrichter finden mehrere Filter Einsatz. So beispielsweise ein Sinusfilter, der das pulsweitenmodulierte Rechtecksignal der Leistungstransistoren zu einem sauberen Sinus aufbereitet – oder ein EMI-Filter, der Oberwellen aus dem Netz herausfiltert.
2. Leistungskondensatortypen in Wechselrichtern
Die häufigsten zwei verwendeten Typen von Kondensatoren in Applikationen der Leistungselektronik sind [1]:
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Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit flüssigen Elektrolyten (kurz: Elko)
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Kunststoff-Folienkondensatoren (häufig metallisierte Polypropylen oder Polyethylen-Folienkondensatoren)
Ein Elko ist ein gepoltes Bauteil, seine Elektroden teilen sich also auf die positive Anode und negative Kathode auf, wohingegen Folienkondensatoren nicht gepolt sind. Die Kathode des Elkos ist dabei direkt mit den leitfähigen Elektrolyten verbunden und das Dielektrikum besteht aus einer Aluminiumoxidschicht, die sich auf der Anode befindet. Typischerweise wird ein Elko aufgerollt und erhält so seine zylindertypische Form.
Beim Folienkondensator entspricht der eingesetzte Kunststoff dem Dielektrikum. Die Metallflächen bilden die beiden Elektroden. Diese sind über eine Kontaktschicht mit den Kunststoff-Metallisierungen verbunden, die über einen lasergeformten Abstand verfügen. Dadurch bilden sich mehrere Kondensator-Schichten, um die Kapazitätsdichte zu erhöhen.
3. Lebenserwartung von Leistungskondensatoren
Im Regelfall geht man von einer erwarteten Lebensdauer t_0 aus, die sich im Nennbetrieb einstellt. Diese Lebensdauer wird von unterschiedlichen Faktoren beeinflusst.
3.1. Lebenserwartung von Elektrolytkondensatoren
Bei einem Elko finden drei Faktoren Berücksichtigung zur Berechnung der resultierenden Lebensdauer tres,Al [2]:
Temperaturfaktor kT,Al: Mit der sogenannten 10-Kelvin-Regel von Arrhenius wird der größte Einflussfaktor beschrieben. Ein Absenken der Betriebstemperatur um 10 K führt zu einer Verdoppelung, ein Anheben um 10 K zu einer Halbierung der Grundlebensdauer.
Rippelstromfaktor kI,Al: Der Rippelstrom wirkt sich direkt auf die Eigenerwärmung des Bauteils und damit auf die Lebensdauer aus. Dieser Faktor wird häufig herstellerseitig abgeschätzt und in Anwendungshinweisen veröffentlicht.
Spannungsfaktor kU,Al: Wird ein Elektrolytkondensator unterhalb seiner Nennspannung betrieben, so können die selbstheilenden Effekte dieses Komponententyps nicht adäquat greifen. Die Dicke des Dielektrikums eines Elkos, also seine Anodenoxidschicht, steht in direkter Abhängigkeit von der an den Elektroden angelegten Potenzialdifferenz, also der Betriebsspannung. Der Vorgang des Oxidaufbaus nennt sich Formierung [3]. Liegt eine zu niedrige Spannung an, so läuft das Dielektrikum Gefahr, mit dem wasserhaltigen Elektrolyten zu reagieren und sich damit abzubauen, was die Durchschlagfestigkeit vermindert und zusätzlich zu Wasserstoff-Gasbildung oder anderen chemischen Reaktionen führen kann, was zur beschleunigten Alterung beiträgt. Dieser Faktor wird ebenfalls herstellerseitig abgeschätzt.
Für einen detaillierten Blick auf die einzelnen Einflussfaktoren wird auf die hinterlegte Literatur verwiesen. Daraus ergibt sich insgesamt für die resultierende Lebensdauer eines Elkos:
\[ t_{\text{res}, \text{Al}} = t_0 \cdot k_{T, \text{Al}} \cdot k_{I, \text{Al}} \cdot k_{U, \text{Al}} \]
3.2. Lebenserwartung von Folienkondensatoren
Bei einem Folienkondensator finden drei Faktoren Berücksichtigung zur Berechnung der resultierenden Lebensdauer tres,Fo [4]:
Temperaturfaktor kT,Fo: Auch der Folienkondensator unterliegt einer exponentiellen Alterungsbeschleunigung durch die Temperatur. Die Aktivierungsenergie bzw. Reaktionsgeschwindigkeit ist eine temperaturabhängige Größe.
Spannungsfaktor kU,Fo: Ein elektrisches Feld in metallisierten Folienkondensatoren sorgt für einen Selbstheilungseffekt im Bauteil: Kommt es aufgrund einer hohen Potenzialdifferenz zu einem Durchbruch im Polymer, steigt der Strom durch den Defekt an der Elektrode in der Nähe des Durchbruchs stark an. An dieser Stelle ist die Stromdichte groß genug, um die Metallschicht auf dem Kunststoff zu verdampfen und damit den Defekt zu „heilen“. Gleichzeitig verringert sich damit geringfügig die Kapazität, da diese Fläche für das elektrische Feld nicht mehr zur Verfügung steht. Liegt über längeren Zeitraum eine deutlich höhere Nennspannung am Kondensator an, so kommt es zu unkontrollierten Selbstheilungsprozessen, welche die Kapazität insofern beeinflussen, dass die Funktion des Bauteils verloren geht.
Luftfeuchtigkeitsfaktor kH,Fo: Feuchtigkeit kann durch den Kunststoff eindringen und hat im Kondensator selbst unterschiedliche Auswirkungen:
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Demetallisierung der Elektrode
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Korrosion der Elektrode
Das Vorhandensein von Feuchtigkeit im dielektrischen Film erhöht den Verlustfaktor und verringert den Isolationswiderstand, was zu einem erhöhten Leckstrom und zur erweiterten Wärmeentwicklung führt.
Für einen detaillierten Blick auf die einzelnen Einflussfaktoren wird auf die hinterlegte Literatur verwiesen. Daraus ergibt sich insgesamt für die resultierende Lebensdauer eines Folienkondensators:
\[ t_{\text{res}, \text{Fo}} = t_0 \cdot k_{T, \text{Fo}} \cdot k_{U, \text{Al}} \cdot k_{H, \text{Al}} \]
4. Ausfallmechanismen der Leistungskondensatoren
Im Allgemeinen können die Ursachen für Kondensatorausfälle aus zwei Quellen stammen:
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Fehler im Produktionsprozess (bspw. Materialauswahl oder Chargenfehler)
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Ungeeignete Anwendungsbedingungen
Da die verschiedenen Mechanismen und Fehlerarten einer komplizierten und komplexen Logik folgen, soll die Abbildung 3 Abhilfe schaffen. Hier werden die beiden betrachteten Kondensatortypen nach der Ursache, dem wirkenden Ausfallmechanismus und dem resultierenden Fehlerbild kategorisiert.
Am Ende der Kausalkette wirken sich die einzelnen Ursachen auf drei unterschiedliche Konsequenzen aus:
Explosion: Durch einen thermischen Kollaps kommt es zur Ausdehnung des Innenmaterials des Kondensators und es entsteht eine schlagartige Ausdehnung ebendieses Stoffes.
Brand: Durch bspw. Austritt von leitfähigen Materialien (bspw. das Elektrolyt) kann es zu externen Kurzschlüssen um die Kondensatorschaltung kommen, was schlussendlich zu einem außerordentlichen Stromfluss und damit zum Inbrandsetzen führen kann.
5. Fazit
Der größte Beschleuniger der Degradation von Kondensatoren, die in leistungselektronischen Systemen der Photovoltaik eingesetzt werden, ist die Temperatur. Als weiterer Faktor, gerade für Folienkondensatoren, spielt die Luftfeuchtigkeit eine wesentliche Rolle.
Zudem ist das Betreiben des Wechselrichters unter Nennspannung zu jedem Zeitpunkt zu gewährleisten, um unnötige Spannungsabweichungen an den Zwischenkreiskondensatoren zu vermeiden.
Bei einer Generalüberholung durch die Eternus Technology GmbH werden die Leistungskondensatoren, die evidenzbasiert einer erhöhten Schwächung unterliegen, präventiv getauscht. Dabei greifen wir auf Bauteile zurück, die mit erweiterten Belastungsgrenzen aufwarten und damit eine höhere Zuverlässigkeit vorweisen.