直流链路电容承诺在105°C下寿命达20万小时

行业设计挑战：宽禁带半导体驱动电容技术升级

电力电子工程师面临着一个普遍难题：最新的半导体技术实现了更小体积、更高效率、更大功率输出的变流器设计，但系统中其他所有元器件都必须跟上这一技术节奏。

碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）等宽禁带（WBG）半导体是这一变革的核心驱动力，其更快的开关速度、更低的损耗及更高的结温耐受能力，让变流器布局更紧凑且能在高温环境下工作，这也对电容提出了更高的适配要求（见图 1）。

图 1：基于新型半导体特性的电容新需求

现代直流母线电容需要在更小的封装内承受更高的电场强度和更大的电流密度，同时具备极低的等效串联电感（ESL）以实现快速瞬态响应，以及低频偏稳定的等效串联电阻（ESR），最大限度降低高开关频率下的损耗。

电容的内部设计同样关键，趋肤效应、内部谐振、电流分布不均等寄生效应会导致 ESR 升高，进而降低系统效率。

热管理也成为同等重要的设计考量：工程师为减小环路电感，常将电容贴近功率半导体安装，使其直接承受功率模块的传导热；再加上冷却系统设计简化、半导体结温提升，电容面临的热应力大幅增加，必须在更高温度和电流密度下稳定工作，且不牺牲使用寿命。

本文将阐释 TDK 如何通过研发新型高温介质薄膜，并将其集成至新一代模块化大功率直流母线电容 ——ModCap UHP 系列，解决上述行业挑战。

新型高温聚合物介质：BOEPN 薄膜的研发与特性

TDK 与行业合作伙伴经过多年研发，成功开发出可应用于金属化薄膜电容的高温耐受介质薄膜材料。在聚丙烯 - 环烯烃共聚物（PP-COC）混合介质的前期研究基础上，北欧化工（Borealis）与 TOPAS 先进聚合物公司联合推出了斯泰洛拉 EPN（乙烯 - 丙烯 - 降冰片烯）材料。

EPN 材料的成分与工艺特性

EPN 由两种材料复合而成，兼顾加工性与高温性能：

• 聚丙烯（PP）：技术成熟、易加工的经典介质材料；

• 环烯烃共聚物（COC）：具备优异高温耐受能力的介质材料。

纯 COC 无法拉伸成薄膜，与 PP 混合后，所得复合材料既保留了标准 PP 的加工特性，又具备 COC 的高温强度。

双向拉伸 EPN（BOEPN）薄膜在实际应用中表现出卓越性能：常温下，其自修复能力与标准双向拉伸聚丙烯（BOPP）薄膜相当，介电强度和电容密度也与之匹配。

高温环境下，BOEPN 薄膜的性能则显著优于 BOPP 薄膜。即便在加速寿命测试（ALT）中，BOEPN 薄膜仍能保持良好的自修复能力、更低的漏电流和更高的击穿强度，这一组合特性可防止直流电压应力下的热失控，确保高温环境下的稳定工作。

将 BOEPN 应用于金属化薄膜电容时，其老化特性和可靠性远优于 BOPP 基电容（见图 2）。

图 2：BOEPN 与 BOPP 基电容的电场降额 - 温度关系曲线

125℃下的测试结果显示，BOPP 基电容老化速度更快，出现电容衰减、损耗（tan δ）升高、绝缘电阻下降等问题，进而导致漏电流增大，热失效风险提升；而 BOEPN 基电容的 tan δ 仅缓慢上升，且该变化主要源于电极的轻微氧化，无其他性能劣化问题。

多项耐久性测试验证了 BOEPN 的优势：如图 2 所示，85℃以上环境中，BOEPN 基电容可承受更高的电场强度，实现更高的电容密度，且无需降额使用，也不会缩短使用寿命。通过优化电容设计并将 BOEPN 集成至 ModCap 技术平台，额定电场强度可进一步提升（见图 3），为下一代变流器带来更高的功率密度和热稳定性。

图 3：125℃寿命测试下BOEPN与BOPP基电容（1μF，每组 10 个）的电性能变化：左为1kHz下电容变化，中为1kHz下 tan δ 变化，右为 500V 10s 后的绝缘电阻变化

ModCap UHP 系列：专为极端工况设计的直流母线电容

以 BOPP 为介质的 ModCap HF 系列（B25647）已成为先进半导体配套直流母线电容的标杆产品。TDK 在该平台基础上，推出了搭载新型 BOEPN 介质薄膜的 ModCap UHP 系列（B25648），该材料使电容可在更高温度和电流密度下无降额工作，且保持原有机械设计不变。

应用场景与产品兼容性

ModCap UHP 系列针对高功率密度、冷却受限、高温环境等 ModCap HF 系列已达性能极限的严苛应用场景，典型应用包括储能系统（ESS）、集中式光伏逆变器、电解槽、大功率 DC-DC 变流器及采用碳化硅半导体的辅助驱动器。

ModCap HF 与 UHP 系列采用相同的模块化设计、端子布局和外部尺寸，确保了机械和电磁兼容性（见图 4）。

图 4：ModCap UHP 电容图纸与配置方案

两款产品均具备极低的电感（ESL≈8nH），可实现快速瞬态处理；宽频率范围内的低 ESR；以及通过 ISCC 认证的生物循环聚丙烯材料；电容值、高压强度完全一致，且在额定电压和温度下均拥有 200000 小时的使用寿命。

ModCap UHP 系列核心升级亮点

相较于 ModCap HF 系列，ModCap UHP 系列实现了关键性能突破：

• 电流密度提升高达 21%，在相同安装空间下，可使变流器功率密度提升高达 45%；

• 额定工作温度从 80℃提升至 105℃，且无需进行电压或寿命降额。

这一特性让 ModCap UHP 成为严苛热环境下大功率变流器的理想选择，无论热环境源于冷却系统简化，还是邻近半导体的热传导。

超出台标 IEC 61071:2017 和 IEC 61881-1:2010 的测试验证，ModCap UHP 在 105℃下的老化特性与 ModCap HF 在 80℃下相当，证明其在高温工作环境下具备优异的稳定性和可靠性（见图 5、图 6）。

图 5：ModCap HF（左）与 ModCap UHP（右）的电容随时间变化曲线

图 6：ModCap UHP 的平均使用寿命曲线

目前 ModCap UHP 系列的额定电压覆盖 1350V 至 1800V，表 1 为其主要电参数；900V 至 2000V 的电压拓展版本正在研发中。

表 1：ModCap UHP 电特性与订货型号

实际应用对比：ModCap HF vs ModCap UHP

为验证从 BOPP 基（ModCap HF）切换至 BOEPN 基（ModCap UHP）的实际优势，TDK 针对大电流直流母线应用开展了详细案例研究，评估额定温度提升 25℃、电流密度提升 21% 所带来的实际设计收益 —— 性能、体积及使用寿命。

测试场景参数

本次分析的变流器为典型大功率应用，参数如下：

• 直流母线电压：1600V

• 总电容要求：≥1850μF

• 有效值电流：570A

• 环境温度：75℃

• 功率模块端子温度：95℃

• 直流母线使用寿命要求：≥200000 小时

测试评估了两种直流母线配置方案：采用 ModCap HF 电容（BOPP 介质）和采用 ModCap UHP 电容（BOEPN 介质）。

ModCap HF 方案：需 5 台并联，体积大、成本高

根据 ModCap HF 规格书，初选型号为 B25647A1647K003（1600V/640μF/160A）：3 台并联可满足电容要求（≥1850μF），但仅能提供 480A（3×160A），低于 570A 的电流要求；需至少 4 台并联才能同时满足电流和电容需求。

由于该配置受电流限制而非电容限制，选用更高电压版本 B25647A11477K003（1800V/470μF/150A）可获得更充足的使用寿命余量，最终该直流母线总容积为 15400cm³。

通过有限元法（FEM）仿真评估热特性和预期使用寿命，仿真涵盖热边界条件（环境温度、冷却方式、功率模块热传导）、全频率电流幅值谱及电容内部结构的电磁效应。

仿真结果显示，电容内部最高温度达 96℃（由自发热和功率模块端子热传导导致，见图 7），超过 ModCap HF 的 80℃额定温度，使用寿命低于 200000 小时，未达到设计目标。

为保证使用寿命和热余量，需 5 台并联，参数如下：

• 直流母线电压：1800V（＞1600V）

• 总电容：2350μF（＞1850μF）

• 有效值电流：750A（＞570A）

• 直流母线总容积：19300cm³

该方案虽在技术上可行，但大幅增加了设备体积和成本。

ModCap UHP 方案：仅 3 台并联，体积降 40%，满寿命达标

针对同一 1600V 系统，对应的 ModCap UHP 型号为 B25648A1647K003（1600V/640μF/190A），该型号与同规格 ModCap HF 电容电压、电容、外部尺寸完全一致，但其额定电流提升 19%，额定温度提升 25℃（105℃ vs 80℃）。

仅 3 台并联即可满足所有应用要求，参数如下：

• 直流母线电压：1600V（与要求一致）

• 总电容：1880μF（＞1850μF）

• 有效值电流：570A（与要求一致）

• 直流母线总容积：11500cm³

相较于 ModCap HF 方案，总容积降低 40%。

相同边界条件下的热有限元仿真显示，电容内部最高温度为 104.8℃，略低于 105℃的额定限值；ModCap UHP 设计可实现无降额全寿命工作，在高温应力下仍能达到 200000 小时使用寿命。

图 7：相同电容、电压、电流要求下的有限元仿真结果：ModCap HF（左）与 ModCap UHP（右）

总结与核心收获

针对本次研究的大电流密度直流母线应用，仅需 3 台 BOEPN 基 ModCap UHP 电容，即可替代 5 台 BOPP 基 ModCap HF 电容，这一优化源于 ModCap UHP 系列更高的电流密度、功率密度及提升的额定工作温度。

如表 2 和图 8 所示，ModCap UHP 方案实现了两大核心优势：

• 直流母线体积降低 40%，依托 19% 的电流密度提升和 25℃的额定温度提升；

• 电容成本降低 25%，还可节省外部汇流排的额外成本。

表 2：ModCap HF 与 ModCap UHP 直流母线方案对比

图 8：相同电容、电压、电流要求下的有限元仿真结果：ModCap HF（左）、ModCap UHP（右）

对于采用先进功率模块、对电流、热性能和使用寿命有严苛要求的应用场景，BOEPN 薄膜电容相较传统 BOPP 基方案，能打造更紧凑、更具成本效益的直流母线设计。

在本次分析的高功率密度设计中，电流密度、热管理和使用寿命是直流母线的关键参数，ModCap UHP 系列在这三者之间实现了优化平衡，为基于先进半导体技术的下一代功率变流器提供了空间高效的解决方案。