SCHOTT solutions Nr. 2/2013 > Forschung & Entwicklung

Als Dielektrikum kann Glaskeramik (im Vordergrund) die Dicke von Hochspannungskondensatoren deutlich verringern, womit auch die Speicherdichte steigt. Dies zeigt dieser Vergleich von herkömmlichen (links) und neuartigen Kondensatoren mit Glaskeramik (rechts). Foto: SCHOTT/C. Costard

Elektrisierende Glaskeramiken


SCHOTT Forscher entwickelten Glaskeramiken erstmals weiter zum chancenreichen Dielektrikum für Hochspannungskondensatoren. Mögliche Einsatzgebiete sind Leistungselektroniken für erneuerbare Energien, medizintechnische oder Laser-Anwendungen.


Thilo Horvatitsch

Leistungselektroniken werden zunehmend wichtiger, beispielsweise bei der Umformung und dem Transport der elektrischen Energie aus Offshore-Windkraftanlagen. Dabei geht der Trend zu immer höheren Leistungsdichten, etwa durch den Einsatz von neuen Halbleitermaterialien wie Siliziumkarbid.
Hochspannungskondensatoren mit Glaskeramik eignen sich für vielfältige Endanwendungen wie Offshore-Windparks oder Computertomografen. Foto: Thinkstock
Durch die ebenfalls stark wachsenden Stromdichten steigen jedoch die Temperaturen in diesen Systemen – zuweilen bis auf 200 Grad Celsius. Daher müssen auch benachbarte passive Bauelemente wie etwa Kondensatoren verstärkt höheren thermischen Belastungen widerstehen. Die verfügbaren Dielektrika für Hochspannungskondensatoren und deren Verhalten bei erhöhten Temperaturen begrenzen somit die Leistung oder verhindern ein kompakteres Design der Leistungselektroniken. Vor diesem Hintergrund gelang es SCHOTT Entwicklern erstmals, die Werkstoffklasse Glaskeramik als Dielektrikum für Hochspannungskondensatoren nutzbar zu machen. Dabei verfügt die neuartige Glaskeramik über erhebliche Vorteile gegenüber bisher verwendeten keramischen Dielektrika: So bewirkt ihre Porenfreiheit eine sehr hohe dielektrische Durchschlagsfestigkeit von etwa 65 kV/mm.
Foto: Thinkstock
Das Dielektrikum kann dadurch bei einer gegebenen Spannung deutlich dünner werden, was in Verbindung mit der hohen relativen Dielektrizitätszahl sehr hohe Kapazitätswerte für die Kondensatoren ermöglicht. „Aufgrund dieser einzigartigen Eigenschaften kann die Energiespeicherdichte gegenüber herkömmlichen Kondensator-Materialien bis um den Faktor 10 gesteigert werden”, erklärt Dr. Martin Letz. Der SCHOTT Entwickler erwartet künftig zudem eine bessere Anwendbarkeit bei höheren Temperaturen bis zu 200 Grad Celsius sowie kompaktere und leichtere Kondensator-Designs: „Bei gleicher Kapazität und Arbeitsspannung lässt sich das Gewicht um rund 80 Prozent senken.”

Damit erhöhen sich die Chancen auf vielfältige Einsatzbereiche in der Leistungselektronik: neben dem Einsatz in Energienetzen zum Beispiel Computertomografen oder Laser-Anwendungen in der Halbleiter-Prozessierung und für Augenoperationen. „Unser Ziel ist es, diese vielversprechende Entwicklung im Jahr 2014 erfolgreich im Markt zu platzieren”, so Dr. Jörn Besinger, SCHOTT Business Development. Aktuell entwickelt SCHOTT zwei Glaskeramiken für Hochspannungskondensatoren. Derzeit laufen bereits Tests mit namhaften Kondensator-Herstellern. <