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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die Erfindung betrifft einen Snubber-Kondensator, insbesondere einen in einem Leistungsmodul vorgesehenen Snubber-Kondensator.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Leistungsbauelemente (WBG-Halbleiter (Halbleiter mit breitem Bandabstand), wie etwa SiC, GaN) werden in Anwendungen, die ein schnelles und wirksames Schalten erfordern, wie etwa Leistungsversorgungsanwendungen, immer gefragter. Überdies erfahren die Leistungsbauelemente in der Regel Störungen durch Streuinduktivität eines Leistungsmodulgehäuses und umgebender Schaltungen, und die Fähigkeit zum schnellen Schalten der Leistungsbauelemente verursacht hohes dv/dt, was zu einer großen Stoßspannung und EMI-Rauschen (EMI: Elektromagnetische Störung) zwischen Drain- und Source-Anschlüssen der Leistungsbauelemente beim Ausschalten führt.
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Zum Glätten des Spannungsstoßes und Reduzieren des Rauschens wird ein Snubber-Kondensator Cc hinzugefügt, wie in 1 gezeigt. Unter Bezugnahme auf 2 werden zwei Spannungswellenformen mit bzw. ohne Snubber-Kondensator dargestellt. Wie die gestrichelte Linie zeigt, wird der Spannungsstoß durch den Snubber-Kondensator geglättet. Somit werden Snubber-Kondensatoren zu unumgänglichen Elementen in den WBG-Halbleiter-Anwendungen.
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Unter nun erfolgender Bezugnahme auf 3 ist ein herkömmlicher Wechselrichterentwurf in einem Blockdiagramm gezeigt. Der Wechselrichter umfasst einen AC-Verbinder 101, einen DC-Verbinder 102, ein Leistungsmodul 103 mit mehreren Leistungsbauelementen 1031, wie etwa WBG-Leistungsbauelementen, und einen dem Leistungsmodul 103 benachbarten Snubber-Kondensator 104. Der Snubber-Kondensator 104 muss so nah wie möglich an den Leistungsbauelementen 1031 vorgesehen sein. Bei dem herkömmlichen Wechselrichter ist der Snubber-Kondensator lediglich einem Teil der Leistungsbauelemente benachbart vorgesehen, wodurch die Glättungswirkung des Snubber-Kondensators beschränkt ist.
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Zudem wird in dem herkömmlichen Wechselrichterentwurf häufig ein MLCC (Mehrschichtiger Keramikkondensator) aufgrund seines geeigneten Kapazitätswerts verwendet. Ein MLCC umfasst zwei externe Elektroden und einen Kondensatorkern mit einem Dielektrikum und internen Elektroden. Unter Bezugnahme auf 4 ist ein MLCC 104 mittels Lotmaterial 6 auf eine Kupferstrukturschicht 114 gelötet, und es besteht ein Zwischenraum 118 unterdem MLCC. Ein thermisches Harz 112 ist zwischen der Kupferstrukturschicht 114 und einem Pin-Fin-Kühlglied 110 vorgesehen (Fachleute verstehen, dass ein isolierendes Material zwischen der Kupferstruktur und dem Kühlglied vorhanden ist, wobei in diesem Fall das thermische Harz 112 als das isolierende Material verwendet wird). In diesem Entwurf kann die durch den MLCC 104 erzeugte Wärme nur über das Lotmaterial 6 abgeleitet werden, was zu einer unerwünschten Wärmeleitwirksamkeit führt. In einigen Fällen kommt es unter schweren thermischen Bedingungen sogar zur Verbrennung der Snubber-Kondensatoren.
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KURZDARSTELLUNG
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Um die thermischen Bedingungen des Snubber-Kondensators zu verbessern und die Glättungswirkung zu verstärken, wird ein Snubber-Kondensator offenbart. Der Snubber-Kondensator umfasst eine erste Elektrode, eine zweite Elektrode und einen dazwischenliegenden Kondensatorkern, ein leitfähiges erstes Extraktionselement, das mit der ersten Elektrode elektrisch gekoppelt ist und mindestens einen Teil der ersten Elektrode und einen Teil des Kondensatorkerns bedeckt, ein leitfähiges zweites Extraktionselement, das mit der zweiten Elektrode elektrisch gekoppelt ist und mindestens einen Teil der zweiten Elektrode und einen anderen Teil des Kondensatorkerns bedeckt, wobei das erste Extraktionselement von dem zweiten Extraktionselement elektrisch isoliert ist. Mit diesem Entwurf vergrößern die Extraktionselemente die Kontaktfläche zwischen dem Snubber-Kondensator und mit dem Snubber-Kondensator gekoppelten Elementen (wie etwa externe Verbinder eines Wechselrichters, Schaltungsstrukturen einer leitfähigen Schicht eines Leistungsmoduls). Somit wird die Wärmeableitung des Snubber-Kondensators verbessert.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung liegt die Endfläche der mit dem ersten Extraktionselement gekoppelten ersten Elektrode gegenüber der Endfläche der mit dem zweiten Extraktionselement gekoppelten zweiten Elektrode.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung liegt die durch das erste Extraktionselement bedeckte Seitenwand des Kondensatorkerns gegenüber der durch das zweite Extraktionselement bedeckten Seitenwand des Kondensatorkerns.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist die durch das erste Extraktionselement bedeckte Seitenwand des Kondensatorkerns der durch das zweite Extraktionselement bedeckten Seitenwand des Kondensatorkerns benachbart. Dieser Snubber-Kondensator kann in der Nähe der Leistungselemente eines Leistungsmoduls vorgesehen werden, um den Spannungsstoß zu glätten und das EMI-Rauschen zu verringern.
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Gemäß einen weiteren Aspekt der Erfindung ist sowohl das erste Extraktionselement als auch das zweite Extraktionselement L-förmig. Mit diesen Extraktionselementen kann der Snubber-Kondensator entweder vertikal oder horizontal in einem Leistungsmodul vorgesehen werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst mindestens eines des ersten Extraktionselements und des zweiten Extraktionselements einen Basisabschnitt und zwei erweiterte Abschnitte, die sich von dem Basisabschnitt entlang der Längsrichtung des Snubber-Kondensators erstrecken, wobei sich die zwei erweiterten Abschnitte jeweils parallel zu den zwei benachbarten Seitenwänden des Kondensatorkerns erstrecken. In einer alternativen Ausführungsform umfasst mindestens eines das ersten Extraktionselements und des zweiten Extraktionselements einen Basisabschnitt und zwei erweiterte Abschnitte, die sich von dem Basisabschnitt entlang der Längsrichtung des Snubber-Kondensators erstrecken, wobei sich die zwei erweiterten Abschnitte jeweils parallel zu den gegenüberliegenden Seitenwänden des Kondensatorkerns erstrecken. Snubber-Kondensatoren mit benachbarten erweiterten Abschnitten werden hauptsächlich als innere Snubber-Kondensatoren in dem Leistungsmodul verwendet, während Snubber-Kondensatoren mit gegenüberliegenden erweiterten Abschnitten außerhalb des Leistungsmoduls verwendet werden. Mit diesen Extraktionselementen wird die Wärmeableitungsfläche des Snubber-Kondensators offensichtlich vergrößert, wodurch die thermische Wirkung des Snubber-Kondensators verbessert wird. Zudem ist der Snubber-Kondensator weniger von der durch Temperaturvariationen verursachten Belastungsveränderung betroffen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist das erste Extraktionselement mit der ersten Elektrode verlötet/versintert und/oder ist das zweite Extraktionselement mit der zweiten Elektrode verlötet/versintert.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist das erste Extraktionselement mit der ersten Elektrode ultraschallverlötet und/oder ist das zweite Extraktionselement mit der zweiten Elektrode ultraschallverlötet.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist das erste Extraktionselement mittels Silber mit der ersten Elektrode versintert und/oder ist das zweite Extraktionselement mittels Silber mit der zweiten Elektrode versintert.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Leistungsmodul offenbart. Das Leistungsmodul umfasst den oben beschriebenen Snubber-Kondensator, der Snubber-Kondensator ist in einem Leistungsmodul vorgesehen, das Leistungsmodul umfasst Folgendes: mindestens ein Leistungshalbleiterelement, eine erste leitfähige Schicht und eine zweite leitfähige Schicht, ausgelegt zum Zwischenordnen des Leistungshalbleiterelements, das erste Extraktionselement ist mit der ersten leitfähigen Schicht elektrisch gekoppelt, das zweite Extraktionselement ist mit der zweiten leitfähigen Schicht elektrisch gekoppelt, der Wärmeausdehnungskoeffizient des ersten Extraktionselements liegt zwischen dem der ersten leitfähigen Schicht und dem der ersten Elektrode, der Wärmeausdehnungskoeffizient des zweiten Extraktionselements liegt zwischen dem der zweiten Elektrode und dem der zweiten leitfähigen Schicht. Mit diesem Entwurf geschieht ein thermischer Übergang von den Elektroden zu den leitfähigen Schichten allmählich genug, um eine unausgeglichene Belastungsverteilung zu vermeiden, wodurch der Snubber-Kondensator gut in dem Leistungsmodul fixiert sein kann. Zudem ist die Kontaktfläche zwischen dem Snubber-Kondensator und den leitfähigen Schichten groß genug, um eine verbesserte Wärmeableitung zu erzielen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist der Snubber-Kondensator dem Leistungshalbleiterelement benachbart positioniert.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung beträgt die Betriebstemperatur des Leistungsmoduls -40°C~150°C. Die Spannung zwischen der ersten leitfähigen Schicht und der zweiten leitfähigen Schicht beträgt 300V-800V. Der Strom zwischen der ersten leitfähigen Schicht und der zweiten leitfähigen Schicht beträgt 100A∼1000A.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist der Snubber-Kondensator ein MLCC.
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Weitere Aspekte und Vorteile der Ausführungsformen ergeben sich aus der folgenden ausführlichen Beschreibung im Zusammenhang mit den begleitenden Zeichnungen, die die Prinzipien der beschriebenen Ausführungsformen beispielhaft veranschaulichen.
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Figurenliste
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Die beschriebenen Ausführungsformen und deren Vorteile werden unter Bezugnahme auf die folgende Beschreibung im Zusammenhang mit den begleitenden Zeichnungen am besten verständlich. Diese Zeichnungen beschränken auf keinerlei Weise etwaige Änderungen an Form und Detail, die durch Fachleute an den beschriebenen Ausführungsformen vorgenommen werden können, ohne vom Wesen und Schutzumfang der beschriebenen Ausführungsformen abzuweichen.
- 1 veranschaulicht eine Leistungsversorgungschaltung, die Leistungsbauelemente verwendet.
- 2 veranschaulicht zwei Spannungswellenformen mit bzw. ohne einen Snubber-Kondensator.
- 3 veranschaulicht ein Diagramm eines herkömmlichen Wechselrichters, wobei der Snubber-Kondensator dem Leistungsmodul benachbart vorgesehen ist.
- 4 veranschaulicht eine Querschnittsansicht einer Snubber-Kondensator-Anordnung mit einem Pin-Fin-Kühlglied.
- 5 veranschaulicht eine perspektivische Ansicht eines Snubber-Kondensators gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung.
- 6 veranschaulicht eine perspektivische Ansicht der Extraktionselemente des Snubber-Kondensators in 5.
- 7 veranschaulicht eine perspektivische Ansicht eines Snubber-Kondensators gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung.
- 8 veranschaulicht eine weitere perspektivische Ansicht eines Snubber-Kondensators gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung.
- 9 veranschaulicht eine perspektivische Ansicht der Extraktionselemente des Snubber-Kondensators in 7.
- 10 veranschaulicht eine weitere perspektivische Ansicht der Extraktionselemente gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung.
- 11 veranschaulicht ein Leistungsmodul mit doppelseitiger Kühlvorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung.
- 12 veranschaulicht eine weitere perspektivische Ansicht des Leistungsmoduls.
- 13 veranschaulicht eine perspektivische Ansicht eines Snubber-Kondensators gemäß der dritten Ausführungsform der Erfindung.
- 14 veranschaulicht eine perspektivische Ansicht der Extraktionselemente des Snubber-Kondensators in 13.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Unter nun erfolgender Bezugnahme auf die Zeichnungen werden Ausführungsformen der Erfindung ausführlich beschrieben. In dieser Erfindung werden die Snubber-Kondensatoren verschiedener Ausführungsformen hauptsächlich in der Automobilindustrie verwendet, etwa in einem Leistungsmodul eines Wechselrichters oder in einem Wechselrichter eines Elektrofahrzeugs. Die Snubber-Kondensatoren werden in einem Leistungsmodul oder einem Leistungsmodul benachbart vorgesehen. Anders als bei PCB-Anwendungen sind die Betriebsbedingungen der Leistungsmodule weitaus strenger. Beispielsweise liegt die Betriebstemperatur der Leistungsmodule im Bereich von -40°C-150°C. Die Spannung zwischen der ersten leitfähigen Schicht (die eine positive Polarität repräsentiert) und der zweiten leitfähigen Schicht (die eine negative Polarität repräsentiert) beträgt 300V-800V. Der Strom zwischen der ersten leitfähigen Schicht und der zweiten leitfähigen Schicht beträgt 100A~1000A. Um die obigen Anforderungen zu erfüllen, muss somit der Einfluss der Temperatur auf die Kondensatoren berücksichtigt werden.
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Unter zuerst erfolgender Bezugnahme auf 5 - 6 umfasst ein Snubber-Kondensator 1 eine erste Elektrode 11, eine zweite Elektrode 12 und einen dazwischenliegenden Kondensatorkern 10. Der Snubber-Kondensator umfasst ferner ein leitfähiges erstes Extraktionselement 21 und ein leitfähiges zweites Extraktionselement 22. Das erste Extraktionselement 21 ist mit der ersten Elektrode 11 elektrisch gekoppelt und bedeckt mindestens einen Teil der ersten Elektrode 11 und einen Teil des Kondensatorkerns 10, das zweite Extraktionselement 22 ist mit der zweiten Elektrode 12 elektrisch gekoppelt und bedeckt mindestens einen Teil der zweiten Elektrode 12 und einen anderen Teil des Kondensatorkerns 10. Um einen Kurzschluss zu vermeiden, ist das erste Extraktionselement 21 von dem zweiten Extraktionselement 22 elektrisch isoliert. Beispielsweise beträgt der kleinste Abstand zwischen dem ersten Extraktionselement 21 und dem zweiten Extraktionselement 22 in der Längsrichtung (L) des Snubber-Kondensators mindestens 1 mm.
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Unter hauptsächlicher Bezugnahme auf 6 ist sowohl das erste Extraktionselement 21 als auch das zweite Extraktionselement 22 L-förmig. Das erste Extraktionselement 21 umfasst einen Basisabschnitt 211 und einen erweiterten Abschnitt 212, der sich von dem Basisabschnitt 211 entlang der Längsrichtung (L) des Snubber-Kondensators erstreckt, und das zweite Extraktionselement 22 umfasst einen Basisabschnitt 221 und einen erweiterten Abschnitt 222, der sich von dem Basisabschnitt 221 entlang der Längsrichtung des Snubber-Kondensators erstreckt. Unter Betrachtung des ersten Extraktionselements 21 als Beispiel ist der Basisabschnitt 211 senkrecht zu dem erweiterten Abschnitt 212, ist die erste Elektrode 11 mit dem Basisabschnitt 211 gekoppelt und durch diesen bedeckt und ist eine Seitenwand des Kondensatorkerns 10 teilweise durch den erweiterten Abschnitt 212 bedeckt. Die Endfläche der ersten Elektrode 11, die mit dem ersten Extraktionselement 21 gekoppelt ist, liegt gegenüber der Endfläche der zweiten Elektrode 12, die mit dem zweiten Extraktionselement 22 gekoppelt ist. Die durch das erste Extraktionselement bedeckte Seitenwand des Kondensatorkerns liegt gegenüber der durch das zweite Extraktionselement bedeckten Seitenwand des Kondensatorkerns.
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In dieser Ausführungsform ist das erste Extraktionselement 21 mit der ersten Elektrode 11 verlötet und das zweite Extraktionselement 22 mit der zweiten Elektrode 22 verlötet. Insbesondere sind die Extraktionselemente 21, 22 mit den Elektroden ultraschallverlötet. In anderen bevorzugten Ausführungsformen können die Extraktionselemente 21, 22 mittels Silber mit den Elektroden 11, 12 versintert sein.
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In Leistungselektronikanwendungen kann der Snubber-Kondensator beispielsweise in einem Wechselrichter Anwendung finden. Der Snubber-Kondensator ist in der Nähe des Leistungsmoduls vorgesehen, um den Spannungsstoß während des Schaltens der Leistungshalbleiterelemente in dem Leistungsmodul zu glätten. Mithilfe der Extraktionselemente lässt sich der Snubber-Kondensator zuverlässig auf einer Kupferstrukturschicht fixieren. Unterdessen wird durch die vergrößerte Wärmeableitungsfläche auch die thermische Wirkung verbessert. In dieser Anwendung ist die durch das erste Extraktionselement bedeckte Seitenwand des Kondensatorkerns der durch das zweite Extraktionselement bedeckten Seitenwand des Kondensatorkerns benachbart.
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Unter nun erfolgender Bezugnahme auf 7 -Figur 10 ist ein Snubber-Kondensator gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht. Anstatt L-förmiger Extraktionselemente umfassen das erste Extraktionselement 31 und das zweite Extraktionselement 32 jeweils einen Basisabschnitt 311, 321 und zwei erweiterte Abschnitte 312, 322, die sich von dem Basisabschnitt 311, 321 entlang der Längsrichtung (L) des Snubber-Kondensators erstrecken, wobei sich die zwei erweiterten Abschnitte 312, 322 jeweils parallel zu benachbarten Seitenwänden des Kondensatorkerns 10 erstrecken.
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In einigen Anwendungen ist der Snubber-Kondensator (wie in 7 - 8 gezeigt) ein in einem Leistungsmodul vorgesehener MLCC. Unter nun erfolgender Bezugnahme auf 11 - 12 umfasst das Leistungsmodul mindestens ein Leistungshalbleiterelement 9 (wie etwa ein SiC-Bauelement), eine erste leitfähige Schicht 81 und eine zweite leitfähige Schicht 82, die zum Zwischenordnen des Leistungshalbleiterelements 9 ausgelegt sind. Sowohl die erste leitfähige Schicht 81 als auch die zweite leitfähige Schicht 82 sind mit einer Kühlvorrichtung 7 mit Pin-Fin-Struktur gekoppelt. Das erste Extraktionselement 31 ist mit der ersten leitfähigen Schicht 81 elektrisch gekoppelt und das zweite Extraktionselement 32 ist mit der zweiten leitfähigen Schicht 82 elektrisch gekoppelt. Der Snubber-Kondensator 1 ist dem Leistungshalbleiterelement 9 benachbart vorgesehen, sodass der während des Ein- und Ausschaltens der Leistungshalbleiterelemente verursachte Spannungsstoß geglättet wird und das EMI-Rauschen verringert wird. Der Wärmeausdehnungskoeffizient des ersten Extraktionselements 31 liegt zwischen dem der ersten leitfähigen Schicht und dem der ersten Elektrode 11, der Wärmeausdehnungskoeffizient des zweiten Extraktionselements 32 liegt zwischen dem der zweiten Elektrode 12 und dem der zweiten leitfähigen Schicht. Daher sorgen diese Extraktionselemente für einen allmählichen thermischen Übergang von den Elektroden zu den (mit der ersten und der zweiten leitfähigen Schicht gekoppelten) Sammelschienen des Leistungsmoduls und verhindern eine unausgeglichene Belastungsverteilung, und somit ist der Snubber-Kondensator selbst in dem Leistungsmodul gut fixiert. Mit diesem Entwurf wird eine unausgeglichene Belastungsverteilung in dem Snubber-Kondensator aufgrund der unterschiedlichen thermischen Wirkung vermieden, wodurch die Lebensdauer des Snubber-Kondensators verlängert wird.
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Und nun erfolgender Bezugnahme auf 13 -Figur 14 sind ein Snubber-Kondensator und Extraktionselemente gemäß der dritten Ausführungsform gezeigt. Das erste Extraktionselement 41 umfasst einen Basisabschnitt 411 und zwei erweiterte Abschnitte 412a, 412b, die sich von dem Basisabschnitt 411 entlang der Längsrichtung des Snubber-Kondensators erstrecken. Ein erweiterter Abschnitt 412a erstreckt sich parallel zu der oberen Fläche des Kondensatorkerns und der andere erweiterte Abschnitt 412b erstreckt sich parallel zu der unteren Fläche des Kondensatorkerns. Das zweite Extraktionselement 42 umfasst einen Basisabschnitt 421 und zwei erweiterte Abschnitte 421a, 421b, die sich von dem Basisabschnitt 421 entlang der Längsrichtung des Snubber-Kondensators erstrecken. Die erweiterten Abschnitte 421a, 421b bedecken die benachbarten Seitenwände des Kondensatorkerns. Der Abstand zwischen dem erweiterten Abschnitt 412a und dem erweiterten Abschnitt 421b entlang der Längsrichtung beträgt mindestens 1 mm.
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Eine Reihe alternativer Strukturelemente wurden für die bevorzugte Ausführungsform vorgeschlagen. Somit ist, obgleich die Erfindung unter Bezugnahme auf spezifische Ausführungsformen beschrieben wurde, die Beschreibung für die Erfindung veranschaulichend und nicht als die Erfindung einschränkend aufzufassen. Fachleute können verschiedene Modifikationen und Anwendungen erkennen, ohne vom wahren Wesen und Schutzumfang der Erfindung gemäß der Definition durch die angehängten Ansprüche abzuweichen.
