Auswahl von Resonanzladekondensatoren der LC-Serie für YAG-Ladegeräte

Auswahl von Resonanzladekondensatoren der LC-Serie für YAG-Ladegeräte

Abstract

Zwischen zwei Pumpimpulsen muss ein Blitzlampenladegerät Dutzende bis Hunderte von Joule mit minimalen Verlusten transportieren, wobei der Resonanzkondensator den vollen Schwingkreisstrom führt. Dieser Artikel leitet das Konstantstromgesetz für Reihenresonanz, die Schwingkreiswerte, die Ladezeit und das Zwei-Term-Verlustmodell her und gibt anschließend die Regeln für Dielektrikum, Leistungsreduzierung und Anpassung an, die einen Wirkungsgrad des Ladegeräts von über 95 % über die gesamte Lebensdauer gewährleisten.

1. Einleitung

Zwischen zwei Pumpimpulsen lädt sich der PFN-Speicherkondensator eines blitzlampengepumpten Nd:YAG-Lasers von null auf die Nennspannung auf. Dieses Zeitfenster beträgt 10–100 ms bei Wiederholraten von 10 bis 50 Hz.

Während des Ladevorgangs werden Dutzende bis Hunderte von Joule mit minimalen Verlusten übertragen. Jedes beim Laden verlorene Joule wird zu Wärme, die das Gehäuse abführen muss, und jede zusätzliche Millisekunde Ladezeit verringert die erreichbare Wiederholrate.

Die Ladeeffizienz bestimmt somit die maximale Ausgangsleistung und die thermische Auslegung des gesamten Lasers.

Der LC-Serienresonanzwandler ist die gängigste Ladetopologie für Hochleistungslaserversorgungen. Bei Betrieb mit seiner Resonanzfrequenz verhält er sich wie eine nahezu konstante Stromquelle, da der Ladestrom durch die Zwischenkreisspannung und die Schwingkreisimpedanz, nicht aber durch die Lastspannung, bestimmt wird.

2. Kernmechanismus

2.1 Der Resonanzkreis und das Konstantstromgesetz

Der Serienresonanzlader verfügt über einen Gleichstromzwischenkreis, einen Wechselrichter, einen Serienschwingkreis aus L_r und C_r, einen Hochfrequenztransformator und einen Gleichrichter, der den PFN-Kondensator speist. Die Resonanzfrequenz und die charakteristische Impedanz des Schwingkreises sind:

f0 = 1 / (2π × √(L_r × C_r))

wobei f0 die Resonanzfrequenz des Schwingkreises, L_r die Serieninduktivität und C_r die Serienkapazität ist.

Z0 = √(L_r / C_r)

wobei Z0 die charakteristische Impedanz, L_r die Serieninduktivität und C_r die Serienkapazität ist.

Bei f0 stellt der Schwingkreis die Spannung Z0 der Grundfrequenz der Rechteckwelle des Wechselrichters gegenüber, und der gleichgerichtete Ausgang ist in erster Näherung ein konstanter Strom:

I_charge = (2 × V_dc) / (π × Z0)

wobei I_charge der Ladestrom, V_dc die Gleichspannung zwischen den Bussen und Z0 die charakteristische Impedanz eines Halbbrückenwechselrichters ist.

Für ein Ladegerät der 7-kW-Klasse mit V_dc = 400 V, einem 100-kHz-Schwingkreis und I_charge = 2.5 A beträgt Z0 (2 × 400) / (π × 2.5) oder etwa 102 Ω. Daraus ergeben sich L_r = Z0 / (2πf0) = 162 µH und C_r = 1 / (2πf0 Z0) = 15.6 nF.

Die Rechnung ist korrekt: 1 / (2π × √(162×10^-6 × 15.6×10^-9)) entspricht etwa 100 kHz. Der Ladestrom ist unabhängig von der PFN-Spannung, wodurch die Topologie über den gesamten Rampenverlauf als Konstantstromquelle fungiert.

2.2 Ladezeit, Energie und durchschnittliche Leistung

Die PFN-Filialen:

E = ½ × C_p × V_p²

wobei E die gespeicherte Energie, C_p die PFN-Kapazität und V_p die PFN-Spannung ist.

Bei konstantem Ladestrom steigt die PFN-Spannung linear an:

t_charge = C_p × V_p / I_charge

wobei t_charge die Ladezeit, C_p die PFN-Kapazität, V_p die PFN-Spannung und I_charge der Ladestrom ist.

Bei einem auf 5 kV geladenen 10 µF PFN beträgt die Energie 125 J und die Ladezeit 10 × 10⁻⁶ × 5,000 / 2.5 bzw. 20 ms. Die durchschnittliche Ladeleistung beträgt 125 J / 20 ms bzw. 6.25 kW, was einem 7-kW-Ladegerät bei 88 % Einschaltdauer entspricht.

Bei 40 Hz beträgt die Einschaltdauer 25 ms, daher nutzt das Ladegerät 20 ms und lässt 5 ms für Entladung, Simmern und Q-Switch-Zeitsteuerung übrig. Die lineare Rampe vereinfacht zudem die Steuerung, da die PFN-Spannung ein reines Integral des Ladestroms ist.

2.3 Das Resonanzkondensatorverlustmodell

Der Resonanzkondensator führt den vollen sinusförmigen Schwingkreisstrom bei f0. Seine Verluste setzen sich aus zwei Komponenten zusammen, einer vom ESR und einer vom Dielektrikum:

P_loss = I_rms² × ESR + 2π × f × C_r × V_C² × tanδ

wobei P_loss der Gesamtverlust, I_rms der Effektivwert des Schwingkreisstroms, ESR der äquivalente Serienwiderstand, f die Betriebsfrequenz, C_r die Resonanzkapazität, V_C die Effektivspannung über C_r und tanδ der Verlustfaktor ist.

Bei einem Spitzenstrom von 3.93 A im Schwingkreis (2.78 A_eff) und einer Spitzenspannung von 401 V an C_r (283 V_eff) beträgt der ESR-Term bei 10 mΩ 0.08 W. Der dielektrische Term bei tanδ = 0.1 % beträgt 2π × 100,000 × 15.6 × 10^-9 × 283² × 0.001, also etwa 0.79 W. Die Gesamtverluste liegen bei einer Durchsatzleistung von 6.25 kW bei etwa 0.9 W und damit unter 0.02 % der Nennleistung.

Ersetzt man ein Dielektrikum der Klasse II mit einem Verlustfaktor von tanδ nahe 2 % bei 100 kHz, so steigt der dielektrische Term auf etwa 16 W, was zu einer Erwärmung des Bauteils führt und den Wirkungsgrad des Ladegeräts unter 95 % senkt.

Es folgt ein Temperaturanstieg:

ΔT_rise = P_loss × R_th

Dabei ist ΔT_rise der Temperaturanstieg, P_loss die Verlustleistung und R_th der Wärmewiderstand. Ein Gehäuse mit einem Wärmewiderstand von R_th = 15 °C/W und einer Verlustleistung von 0.9 W pendelt sich bei einer Temperatur von 13 °C über der Umgebungstemperatur ein. Das entsprechende Gerät der Klasse II mit einer Verlustleistung von 16 W würde innerhalb weniger Minuten 200 °C überschreiten und ausfallen.

2.4 Spannungsbelastung und Leistungsreduzierung

Der Resonanzkondensator muss für die anliegende Wechselspannung zuzüglich der Ein- und Ausschaltvorgänge ausgelegt sein. Bei einer Spitzenspannung von 401 V_C ergibt ein Anteil von 1 kV eine 2.5-fache Reserve. Die Auswahlregel sieht vor, die Nennspannung auf 60–70 % zu reduzieren, damit das Dielektrikum N4700 im linearen, verlustarmen Bereich arbeitet.

Da der Kondensator C_r im Schwingkreis sitzt, verschiebt seine Toleranz die Resonanzfrequenz f0 direkt: Ein Kondensator mit einer Toleranz von ±5 % verschiebt die Resonanzfrequenz um ±2.5 %. Bauteile mit engen Toleranzen gewährleisten, dass der Wandler im optimalen Betriebspunkt arbeitet.

Abb. 1 — Bei 100 kHz und 15.6 nF folgt der Tankverlust dem Verlustfaktor: 0.87 W für N4700 bei 0.1 % gegenüber 15.7 W für ein Bauteil der Klasse II bei 2 %, was einem Temperaturanstieg von 200 °C entspricht.

3. Schwachstellen im Engineering

Problem 1: Frequenzverstimmung bei steigender PFN-Spannung

Die Resonanzfrequenz des Schwingkreises ist fixiert, die reflektierte Last ändert sich jedoch mit der Aufladung des PFN von null auf 5 kV. Wird die Schaltfrequenz exakt auf der Leerlauffrequenz f0 gehalten, driftet der Wandler bei hoher Ausgangsspannung von seinem optimalen Betriebspunkt ab. Der Strom wird diskontinuierlich, und der Wirkungsgrad sinkt um 2–5 Prozentpunkte.

Konstrukteure, die C_r großzügig dimensionieren (±5 % Filmtoleranz), fügen weitere ±2.5 % Verstimmung hinzu. Diese Kombination führt dazu, dass die Serienfertigungseinheiten das 95-%-Ziel unterschreiten, selbst wenn der Prototyp auf dem Prüfstand einwandfrei aussah.

Problempunkt 2: Erwärmung des Resonanzkondensators bei 100 kHz

Bei Schwingkreisströmen von 2.5–5 A_eff und 100 kHz erwärmen der ESR und die dielektrischen Verluste den Resonanzkondensator kontinuierlich. Bauteile der Klasse II mit einem Verlustfaktor (tanδ) von 2–3 % bei der Frequenz verbrauchen mehrere zehn Watt.

Feldgeräte zeigen das bekannte Verschlechterungsmuster nach 30 Minuten: Der Kondensator erwärmt sich, seine Kapazität ändert sich, die Resonanzfrequenz verschiebt sich und das Ladegerät driftet vom Optimum ab. Dies ist die in Problem 1 beschriebene Verstimmung, die durch thermisches Durchgehen beschleunigt wird.

Problempunkt 3: Verstöße gegen die Leistungsreduzierungsregeln bei Start- und Stoppvorgängen

Kostengünstige Resonanzkondensatoren werden aus Kostengründen üblicherweise mit 90–100 % ihrer Nennspannung betrieben. Bei Start- und Stoppvorgängen kann die tatsächliche Spitzenspannung die Nennspannung um 40 % überschreiten, wodurch die für das Dielektrikum notwendige Reduzierung der Nennspannung um 60–70 % nicht mehr gewährleistet ist.

Das Ergebnis ist eine beschleunigte Alterung, eine Kapazitätsdrift und im schlimmsten Fall ein Kurzschlussausfall des Schwingkreiskondensators, der die Wechselrichterbauteile mit sich reißt.

Problempunkt 4: Toleranzdiskrepanz in parallelen Resonanzgruppen

Hochleistungsladegeräte schalten mehrere Resonanzkondensatoren parallel, um die erforderliche Kapazität C_r zu erreichen. Bei Bauteilen mit einer Toleranz von ±10 % verteilt sich der Schwingkreisstrom ungleichmäßig auf die einzelnen Einheiten: Die Einheit mit der kleinsten Kapazität führt den meisten Strom, erwärmt sich am stärksten, altert am schnellsten und führt zu einer weiteren Debalance der Gruppe.

Ein kaskadenartiger Ausfall einer Einheit führt dann zum Ende der Lebensdauer des Ladegeräts. Dies ist das Kondensatorausfallmuster, das in der Praxis nach 10^5 bis 10^6 Schüssen beobachtet wird.

Problempunkt 5: Effizienzverlust durch Alterung

Jeder Resonanzkondensator unterliegt einem Alterungsprozess: Der Verlustfaktor tanδ steigt, der ESR nimmt zu und die Kapazität C driftet. Nach 10⁵ bis 10⁶ Ladezyklen kann sich der Verlust eines Folienkondensators verdoppeln, was zu einem Wirkungsgradverlust von 1–3 Prozentpunkten beim Ladegerät führt.

Bei einem 7-kW-Ladegerät entspricht das einer zusätzlichen Wärmeentwicklung von 70–210 W im Inneren des Gehäuses, die ausreicht, um die Lebensdauer aller anderen Komponenten im Gehäuse zu verkürzen und für kein Voltmeter am Ausgang messbar ist.

4. Entwurfsschritte

Strategie 1: Wählen Sie ein verlustarmes Dielektrikum der Klasse I.

Verlegen Sie N4700 Bauteile der Klasse I mit einem Verlustfaktor tanδ unter 0.1 % und einem ESR unter 10 mΩ bei 100 kHz, sodass die gesamten Resonanzverluste bei einem Durchsatz von mehreren Kilowatt im einstelligen Wattbereich bleiben. Bestätigen Sie das Modell bei der tatsächlichen Betriebsfrequenz mit P_loss = I_rms² × ESR + 2πfC_rV_C² × tanδ.

Der dielektrische Term sollte bei voller Leistung unter 2 W liegen, damit die Eigenerwärmung der Komponente unter 5 °C bleibt.

Strategie 2: Reduzierung der Spannung auf 60–70 % der Nennspannung

Wählen Sie die Nennspannung so, dass der maximale Spannungsspitzenwert, einschließlich Anlauf- und Abschaltvorgängen, 70 % der Nennspannung nicht übersteigt. Dimensionieren Sie den Kondensator entsprechend der Wechselspannung an C_r, die sich aus I_peak × Z0 zuzüglich einer transienten Sicherheitsmarge von 30–40 % ergibt.

Überprüfen Sie die Leistungsreduzierung mit einer Wärmebildkamera während einer 30-minütigen Einwirkzeit und bestätigen Sie, dass sich der Temperaturanstieg des Bauteils unter 25 °C stabilisiert.

Strategie 3: Parallele Resonanzkondensatoren innerhalb von ±1 % anpassen

Für parallele Gruppen sollten Bauteile aus derselben Charge mit einer Toleranz von ±1 % bestellt werden, sodass sich der Tankstrom zwischen den Einheiten innerhalb von ±5 % aufteilt. Die Bauteile sollten anhand der gemessenen ESR- und ESL-Werte mit einer Abweichung von unter 5 % gepaart werden, um eine gleichmäßige thermische Belastung innerhalb der Gruppe zu gewährleisten.

Fügen Sie für jeden Kondensator eine individuelle Sicherung oder einen Reihenschutz hinzu, indem Sie schnelle Genesung Klemmdioden am Rücklauf des Tanks, damit ein Fehler nicht bis zum Wechselrichter fortschreiten kann.

Strategie 4: Halten von f0 mit einem temperaturstabilen Tank

Verwenden Sie den Temperaturkoeffizienten des N4700 von ca. ±30 ppm/°C, damit die Resonanzfrequenz sich bei Erwärmung des Gehäuses nicht ändert und über einen Temperaturbereich von 40 °C innerhalb von 0.1 % bleibt. Stellen Sie die Schaltfrequenz auf den gemessenen Produktionswert f0 ein, nicht auf den Prüfstandswert, und überprüfen Sie einen Wirkungsgrad von über 95 % bei voller Ladespannung.

Verwenden Sie die RC-Dämpfung am Tank, um das Überschwingen beim Start und Stopp unter 10 % zu halten.

Strategie 5: Management der gesamten thermischen Wertschöpfungskette

Verfolgen Sie die Wärmekette vom Dielektrikum über das Gehäuse und den Kühlkörper bis zur Umgebung mit einem Wärmewiderstand R_th unter 15 °C/W und einer Sicherheitsmarge von 30 °C. Sorgen Sie bei Hochleistungsladegeräten für eine forcierte Luftzirkulation über den Resonanzkondensatoren, da eine Kerntemperaturreduzierung von 10 °C die Lebensdauer der Kondensatoren verdoppelt.

Die Temperatur der Resonanzkondensatoren in den Serienanlagen wird protokolliert, um frühzeitig auf Alterungserscheinungen hinzuweisen. Bei Anlagen mit Reihen- und Parallelschaltung wird zusätzlich die Temperatur der Resonanzkondensatoren überwacht. Bemessung von Widerständen So teilt sich die angelegte Spannung gleichmäßig auf.

Komponentenparameter	Typischer Wert	Testbedingung
Nennspannung (HVCT8G-Serie)	10 kV DC	Hi-Pot 1.5× für 60 s
Kapazität	4700 pF ±20% (472M)	1 MHz, 1 V<sub>eff</sub>
ESR bei 1 MHz	unter 50 mΩ	-
Schleifeninduktivität (E40-Sehne)	unter 8 nH	40 mm Anschlussabstand
Isolationswiderstand	über 10 GΩ bei 500 V Gleichstrom	25 °C, 60 % relative Luftfeuchtigkeit
Temperaturbereich	−40 °C bis +125 °C	IEC 60068-2-Reihe
Impuls-dv/dt-Fähigkeit	über 50 kV/µs	bei Nennspannung

5. HVC N4700 Kondensatoren für Resonanz-Ladekreise

Drei Anforderungen bestimmen die Wahl dieses Knotens: dielektrische Verluste müssen so gering sein, dass der Verbrauch bei 6 kW im ein-Watt-Bereich bleibt, ein ausreichend flacher Temperaturkoeffizient muss die Grenzfrequenz f0 halten und die Toleranzen müssen so gering sein, dass der Strom in einer Parallelschaltung verteilt werden kann. HVC fertigt die N4700-Komponenten für dieses Set in einem 6,000 m² großen Werk in Dongguan für einen Spannungsbereich von 1 kV bis 150 kV.

Sechs Parameter, die hier von Bedeutung sind

• Bei einem Verlustfaktor von tanδ unter 0.1 % und einem ESR unter 10 mΩ bei 100 kHz bleiben beide Verlustterme bei 6 kW und darüber im Bereich einzelner Watt, wodurch das Effizienzziel von 95 % geschützt wird.
• Ein Temperaturkoeffizient nahe ±30 ppm/°C bei vernachlässigbarem piezoelektrischem Effekt hält die Resonanz über den gesamten Betriebsbereich konstant, sodass der Wandler ohne Frequenznachführung an seinem Auslegungspunkt bleibt.
• Spannungsnennwerte von 1 kV bis 150 kV unterstützen die Praxis der 60–70%igen Leistungsreduzierung, die das Dielektrikum über die gesamte Lebensdauer im linearen Bereich niedriger Verluste hält.
• Eine Chargentoleranz von ±1% unterstützt parallele Resonanzgruppen mit einer Stromverteilung von ±5%, wodurch die thermische Kaskade des Problems 4 verhindert wird.
• Verpolungsfestigkeit über 80 %, gegenüber weniger als 40 % bei Polypropylen Folienkondensator Diese Bauart schützt den Resonanzkondensator vor dem gedämpften Nachschwingen bei jedem Start- und Stoppzyklus.
• Die Impulslebensdauer von über 10^6 Schüssen entspricht dem Wartungsplan des Ladegeräts. Radialanschluss, Schraubanschluss und doorknob Kondensatoren Der Spannungsbereich liegt zwischen 1 kV und 150 kV, und die HVC-Bauteile entsprechen den Parametern und Gehäuseabmessungen von Vishay HVCC, KEMET Radialleitung, Murata DHS/DHR und TDK UHV/FHV.

Lieferung und Support

Standardbauteile werden innerhalb von 4–8 Wochen, aufeinander abgestimmte Parallelgruppen innerhalb von 6–10 Wochen geliefert. Die gemessene Toleranz und die ESR-Verteilung werden für die Gruppe angegeben. Die Anwendungstechnik von HVC unterstützt die Resonanzkreisberechnung für f0, Z0, Ladezeit und Verluste sowie die thermische Simulation und die Auslegung von Parallelgruppen.

Bitte senden Sie uns die Gleichspannung, den Ladestrom, die Schaltfrequenz, die PFN-Kapazität und -Spannung sowie die Wiederholrate. HVC sendet Ihnen innerhalb von fünf Werktagen ein Datenblatt mit L_r, C_r, Teilenummern und den beiden Verlustfaktoren an Ihrem Betriebspunkt sowie ein Evaluierungsset mit zwei Mustern.

6. Häufig gestellte Fragen

Frage 1: Warum liefert ein LC-Serienresonanzladegerät einen konstanten Strom?

Da der Schwingkreis bei f0 der Grundwelle des Wechselrichters nur seine charakteristische Impedanz Z0 = √(L_r/C_r) entgegensetzt, ergibt sich für den gleichgerichteten Strom I_charge = (2 × V_dc) / (π × Z0). Dieser Wert enthält die Zwischenkreisspannung und die Schwingkreisimpedanz, jedoch nicht die Spannung des Grundschwingkreises (PFN). Der Ladestrom bleibt daher konstant, während die Spannung des Grundschwingkreises von null auf 5 kV ansteigt.

Frage 2: Wie dimensioniere ich den Resonanztank?

Beginnen Sie mit dem benötigten Ladestrom. Bei 400 V Gleichspannung und 2.5 A beträgt Z₀ = (2 × 400) / (π × 2.5) etwa 102 Ω. Daraus ergibt sich L_r = Z₀/(2πf₀) = 162 µH und C_r = 1/(2πf₀Z₀) = 15.6 nF bei 100 kHz. Überprüfen Sie die Werte vor der Freigabe des Designs mit f₀ = 1/(2π√(L_rC_r)).

Frage 3: Was ist der dominierende Faktor für die Verluste im Resonanzkondensator?

Der dielektrische Term bei diesen Spannungen und Frequenzen. Aus P_loss = I_rms²ESR + 2πfC_rV_C²tanδ ergibt sich für den ESR-Term bei 10 mΩ und 2.78 A rms ein Wert von 0.08 W, während der dielektrische Term bei tanδ = 0.1 % 0.79 W beträgt. Erhöht man tanδ auf 2 %, so steigt derselbe Term auf 15.7 W, was ausreicht, um den Wirkungsgrad des Ladegeräts unter 95 % und die Temperatur über 200 °C zu treiben.

Frage 4: Um wie viel muss die Spannung des Resonanzkondensators reduziert werden?

Betreiben Sie das System mit 60–70 % der Nennspannung. Bei einer Spitzenspannung von 401 V an C_r ergibt ein 1-kV-Teilspannungsbereich eine 2.5-fache Reserve, die die Ein- und Ausschaltvorgänge abdeckt. Dimensionieren Sie das System für die Wechselspannung I_Spitze × Z0 plus 30–40 % der Einschaltspannungsreserve und prüfen Sie, ob sich der Temperaturanstieg innerhalb von 30 Minuten unter 25 °C stabilisiert.

Frage 5: Warum ist die Kondensatortoleranz hier so wichtig?

Da C_r die Resonanzfrequenz f0 direkt bestimmt, verschiebt ein ±5%-Kondensator die Resonanzfrequenz um ±2.5%. Auch ±10%-Kondensatoren in einer Parallelschaltung verteilen den Strom ungleichmäßig, sodass das kleinste Bauteil am heißesten wird und am schnellsten altert. Bestellen Sie Bauteile aus derselben Charge mit einer Toleranz von ±1% und einer ESR-Abweichung unter 5% und überprüfen Sie anschließend den Wirkungsgrad von über 95% bei voller Ladespannung.

Frage 6: Wie lang ist das Ladefenster bei 40 Hz?

20 ms eines 25 ms langen Zeitraums. Ein 10 µF PFN-Kondensator, der auf 5 kV geladen ist, speichert 125 J. Bei 2.5 A beträgt die Laderampe t_charge = C_pV_p/I_charge, also 20 ms. Damit verbleiben 5 ms für Entladung, Simmern und Q-Switch-Zeiten. Die durchschnittliche Ladeleistung beträgt 6.25 kW, was mit einem 7-kW-Ladegerät bei 88 % Einschaltdauer übereinstimmt.

7. Referenzen

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5. H. Wang und F. Blaabjerg, Zuverlässigkeit von Kondensatoren für DC-Zwischenkreisanwendungen in leistungselektronischen Umrichtern – Ein ÜberblickIEEE Transactions on Industry Applications, Bd. 50, Nr. 5, S. 3569-3578, 2014. https://doi.org/10.1109/tia.2014.2308357.
6. FD Kieferndorf, M. Forster und TA Lipo, Reduzierung des Restwelligkeitsstroms des DC-Zwischenkreiskondensators mit PAM/PWM-WandlerIEEE Transactions on Industry Applications, Bd. 40, Nr. 2, S. 607-614, 2004. https://doi.org/10.1109/tia.2004.824495.
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8. GB/T 17702-2021, 电力电子电容器 (Kondensatoren für die Leistungselektronik). Peking: 国家市场监督管理总局, 2021.
9. IEC 61071:2017, Kondensatoren für Leistungselektronik, Ed. 2.0. Genf: Internationale Elektrotechnische Kommission, 2017.
10. HVC-Anwendungsentwicklungsteam Hochspannungs-Keramikkondensator Technische Ressourcen, https://www.hv-caps.com