Elko-L Lebensd dauer beii zyklisch hen Lasttprofilen Dr. Arne e Albertsen,, Jianghai Europe Electtronic Comp ponents GmbH Einleitung Aluminiu um-Elektrolyttkondensatorren („Alu-Elkkos“, „Elkos“) stellen einen wichtigeen Bestandtteil vieler Geräte der Leistu ungselektronik dar. Errhöhte Anfo orderungen an die E Energieeffizie enz, die expandie erende Nutzzung erneu uerbarer En ergie und der stetig wachsende Elektronika anteil im Automob bilbau haben n die weite Ve erbreitung diieser Bauele emente voran ngetrieben. In vielen n Applikatio onen hängen n Lebensda auer und Zu uverlässigkeit des Geräätes direkt von den entsprecchenden Parrametern derr Elkos ab. W Während frühere Beiträg ge [1], [2] dees Autors da as Thema Lebensd dauerabschätzung und Zuverlässsigkeit bele euchteten und [3] die Grenz zen der Spannun ngsfestigkeit von Elkos aufzeigte, a ge eht der vorlie egende Artik kel auf die E Elko-Lebensd dauer bei zyklisch wiederkehre enden Lastprrofilen ein. Lebensd dauerabsch hätzung von Elkos Aluminiu um-Elektrolyttkondensatorren vereinen n Spannungs sfestigkeiten im Bereich vvon wenigen n Volt bis zu ca a. 750 V und einen e weiiten Kapazitätsbereich h von 1 µF bis über g kompakte em Aufbau. Eine hoch aufgeraute Anodenfoliee mit einerr dünnen 1 F bei gleichzeitig ssgenauen Kathode, K derr Elektrolytflü üssigkeit, Dielektrikumsschichtt wird dabei vollflächig vvon einer pas ert (Abb. 1). kontaktie bb. 1: Innere er Aufbau eiines Alu-Elk kos Ab olyt im Elko o ist die H auptursache e für seine endliche Leebensdauer und die Der flüsssige Elektro kontinuie erliche Drift seiner s elektrischen Param meter [1]. ür die Abschä ätzung der Lebensdauer L r von Elkos inn einer Applikation zu Um den Anwendern Hilfsmittel fü hat Jianghai ein Lebensd dauermodell für Elkos en ntwickelt, das s die zu erwaartende Lebe ensdauer geben, h bei kontinuierlichem Betrieb in einem e zulässsigen, station nären Betrie ebspunkt anggibt [1]. Dabei ist der nnzeichnet du urch Temperratur, Ripples strom und die am Elko annliegende Sp pannung. Betriebspunkt geken ge Betriebspu unkte gestattten einen B Betrieb des Elkos E [2] untterhalb der S Siedetemperatur des Zulässig v Überspannun Ü ngen [3]. Ein stationärer Betrieb stelltt sich dann ein, e wenn Elektrolyyten [1] und vermeiden die Verw weildauer in einem e Betrie ebspunkt gro ß gegen die thermische Zeitkonstantte des Baute eils ist. Je nach Abmessung des betrach hteten Bautteils liegen die Zeitkonstanten zuum Erreiche en eines gewichtszusttandes im B Bereich von wenigen zeh hn Sekundeen bis hin zu u einigen thermiscchen Gleichg Minuten.. Als Eing gangsgrößen n verwendet das Leben sdauermode ell neben de en Datenblatttangaben des Elkos (Nenn-R Ripplestromtragfähigkeit I0, obere K Kategorietem mperatur T0 und Nennnspannung ) die applikationsbezogen nen Parametter wie Umg ebungstemp peratur Ta, Ripplestrom R I a und die im m Betrieb 2011-07-15 Jianghai Europe Electronic c Components Gm mbH info@jiang ghai-europe.com www.jianghai-euurope.com 1/5 angelegte Spannung . Bei Zwangskühlung ist ein entsprechend der Luftgeschwindigkeit modifizierter Wert für den Ripplestrom zu berücksichtigen. Das Jianghai-Lebensdauermodell hat die Struktur LX = L0 · KT · KR · KV mit resultierende Lebensdauer Lebensdauer bei Nennripple und oberer Kategorietemperatur (Datenblatt) LX L0 2 Temperaturfaktor (Umgebungstemperatur) ∙ ∆ Ripplestromfaktor (Eigenerwärmung im Betrieb) 1 ΔT0 Kerntemperaturanstieg des Elkos (typ. 5 K bei T0= 105 °C und 10 K bei T0= 85 °C) empirisch gewonnener Sicherheitsfaktor, definiert als Ki T0 105°C: T0 85°C: I I0: Ki 4 I I0: Ki 2 Ki 2 Spannungsfaktor (Betriebsspannung) wobei Exponent, definiert als: 1,25 → 5 1,25 3 1 2 → In die folgenden Betrachtungen geht der Effektivwert (quadratische Mittelwert) der gewichteten Rippleströme ein, denn Ströme aller Frequenzen tragen ihren Anteil zum Entstehen der Wärmeleistung bei: ⋯ Ia If1…Ifn Ff1…Ffn Ffi Effektivwert der gewichteten Rippleströme Effektivwerte der Rippleströme bei den Frequenzen f1…fn Korrekturfaktoren für den Strom bei Frequenzen f1…fn mit = Bezugsfrequenz des Nenn-Ripplestromes (120 Hz oder 100 kHz) Die Korrekturfaktoren für Ströme unterschiedlicher Frequenzen haben ihren Ursprung in der Frequenzabhängigkeit des ESR und sie werden im Datenblatt direkt als Stromkorrekturfaktoren für jede Baureihe tabelliert. Weitere Details sowie Erläuterungen zu den Formeln sind in [1] ausgeführt. 2011-07-15 Jianghai Europe Electronic Components GmbH [email protected] www.jianghai-europe.com 2/5 Lastprofile von Elkos Vielen Anwendungen im industriellen Einsatz sind zyklisch wiederkehrende Lastprofile gemein, die z.B. aus wiederholt ablaufenden mechanischen Transport- oder Fertigungsvorgängen resultieren. Wenn man die Lastzustände nach ihrer jeweiligen Verweildauer in den verschiedenen Betriebspunkten absteigend sortiert, erhält man eine Zeitreihe der Temperaturen, Rippleströme und der am Elko anliegenden Spannungen wie in Abbildung 2. Abb. 2: Lastprofil für den Betrieb eines Alu-Elkos im Zwischenkreis eines Umrichters Um die Lebensdauer eines Elkos abschätzen, der wiederholt dem gezeigten Lastprofil ausgesetzt wird, bedient man sich der Lebensdauerfaktoren KT, KR und KV. Die Lebensdauerfaktoren gestatten die Berechnung einer äquivalenten Betriebsdauer t( , , ) des Elkos unter Nennlastbedingungen zu jeder Verweildauer t( , , ) in einem Betriebspunkt des Profils. Es gilt t( , , ) = t( , , ) / (KT · KR · KV) Die Summe der äquivalenten Verweildauern aller Betriebspunkte des Profils muss dabei kleiner oder gleich der im Datenblatt angegebenen Elko-Lebensdauer sein – ansonsten könnte das gesamte Lastprofil nicht innerhalb eines Elko-Lebens abgefahren werden. Tabelle 1 zeigt das Beispiel eines Elkos, der im Zwischenkreis eines Frequenzumrichters einer Motorsteuerung eingesetzt wird. Als Elko-Typ dient hier ein Bauteil aus der JianghaiSchraubanschlussbaureihe CD_138S_WP, das eine Lebensdauer „useful life“ von 15.000 h bei einem Nennripple von 14,3 Arms bei 100 Hz und 85 °C sowie einer Nennspannung von 400 V aufweist. Das Lastprofil in Tabelle 1 zeigt in Auszügen die Verweildauern in bestimmten Betriebspunkten während eines Jahres. Die Zyklusdauer von 1 Jahr = 8.760 Stunden entspricht in Bezug auf den Alterungseffekt des betrachteten Elkos einem Zeitraum von 1.303 Stunden Betrieb unter Nennlast. Beim erstmaligen Durchlaufen des Profils würden somit 1.303 der zu Beginn verfügbaren 15.000 Stunden Elko-Lebensdauer bei Nennlast aufgezehrt. 2011-07-15 Jianghai Europe Electronic Components GmbH [email protected] www.jianghai-europe.com 3/5 Verweildauer Stunden Umgebungs‐ temperatur Ta / °C Ripplestrom Ia / Aeff äquivalente Verweildauer bei Nennlast (Io, To, Ur) Stunden Lebensdauer‐ Faktor KT · KR · KV Spannung Ua / V 1.724 45 25,1 360 6,4 270 860 55 25,1 360 3,2 269 860 20 25,1 360 36,1 24 (…) (…) (…) 29 20 8.760 (…) 31,4 (…) 396 (…) 6,7 4 1.303 Tab. 1: Lastprofil (Ausschnitt) mit Verweildauern und äquivalenten Verweildauern bei Nennlast Der gesamte Lebensdauervorrat des Elkos reicht aus, um 15.000 h / 1.303 h 11,5 Zyklen des Lastprofils zu durchlaufen. Da ein Durchlauf in dem gewählten Beispielprofil ein Jahr dauert, entsprechen 11,5 Zyklen einer Gesamtlebensdauer des Elkos in der Applikation von 11,5 Jahren. Zusammenfassung Aluminium-Elektrolytkondensatoren beeinflussen durch ihre endliche Lebensdauer die Brauchbarkeitsdauer der Geräte, in denen sie eingesetzt sind. Die Kenntnis einiger wesentlicher Parameter dieser Bauelemente, die durch den in ihnen enthaltenen flüssigen Elektrolyten eine Besonderheit unter den elektronischen Bauteilen darstellen, ist zur sicheren Auslegung von Geräten unabdingbar. Die typischen Einflussfaktoren auf die Lebensdauer sowie ein Elko-Lastprofil werden erläutert. Als Hilfsmittel zum erfolgreichen Einsatz steht das Beispiel einer Lebensdauerabschätzung bei einem zyklisch wiederkehrenden Elko-Lastprofil zur Verfügung. Die Anwendbarkeit der allgemein formulierten und an einem Beispiel illustrierten Leitlinien hängt im Einzelfall von der Baureihe und der Applikation ab. Daher sind eine intensive Projektbegleitung und Bestätigung der Anforderungen für die jeweilige Applikation durch den Elko-Hersteller jeweils erforderlich. Literatur [1] Albertsen, A., Lebe lang und in Frieden! Hilfsmittel für eine Lebensdauerabschätzung, Elektronik Components 2009, 22-28 (2009) praxisnahe Elko- [2] Albertsen, A., Auf eine sichere Bank setzen – Zuverlässigkeit von Elektrolytkondensatoren, Elektronik Components 2010, 14-17 (2010) [3] Albertsen, A., Gebührenden Abstand einhalten! – Spannungsfestigkeitsbetrachtungen bei Elektrolytkondensatoren, Elektronik Power, 54-57 (2011) 2011-07-15 Jianghai Europe Electronic Components GmbH [email protected] www.jianghai-europe.com 4/5 Unternehmen Die Jianghai Europe Electronic Components GmbH mit Sitz und Warenlager in Krefeld unterstützt die europäischen Kunden der Nantong Jianghai Capacitor Co., Ltd. (Jianghai) in Nantong, China. Jianghai wurde im Jahre 1959 am Sitz der heutigen Firmenzentrale – etwa zwei Autostunden nördlich von Shanghai – gegründet. Während Jianghai am Anfang vor allem spezielle chemische Produkte (wie z.B. Elektrolytsysteme) entwickelte und produzierte, kamen ab 1970 AluminiumElektrolytkondensatoren und in den Folgejahren Niedervolt- und Hochvolt-Anodenfolien zum Produktportfolio hinzu. Heute ist Jianghai der größte chinesische Elko-Hersteller und zählt im weltweiten Vergleich zu den führenden Herstellern von Snap-in und Schraubanschlusselkos. www.jianghai-europe.com Autor Dr. Arne Albertsen wurde 1965 in Eutin geboren und studierte Physik mit dem Schwerpunkt Angewandte Physik an der Universität Kiel. Nach Diplom (1992) und Doktorarbeit (1994) über die Messung und Analyse von Stromzeitreihen aus Ionenkanälen in biologischen Membranen wechselte er in die Industrie, wo er in verschiedenen Bereichen des umwelt- und verfahrenstechnischen Anlagenbaus tätig war. Seit 2001 widmet er sich als Mitarbeiter führender Hersteller (BCcomponents bzw. Vishay und KOA) dem Marketing und Vertrieb von passiven und diskreten aktiven Bauelementen. Seit November 2008 zeichnet er als Manager Sales & Marketing verantwortlich für die Betreuung von europäischen Kunden der von Jianghai Europe Electronic Components GmbH (Krefeld) vertriebenen Elektrolytkondensatoren. Die Schwerpunkte der Tätigkeit von Dr. Albertsen liegen im Bereich des Design-ins und der Anwendungsunterstützung für Elkos in professionellen Industrieapplikationen. [email protected] 2011-07-15 Jianghai Europe Electronic Components GmbH [email protected] www.jianghai-europe.com 5/5