行業設計挑戰：寬禁帶半導體驅動電容技術升級

電力電子工程師面臨著一個普遍難題：最新的半導體技術實現了更小體積、更高效率、更大功率輸出的變流器設計，但系統中其他所有元器件都必須跟上這一技術節奏。

碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）等寬禁帶（WBG）半導體是這一變革的核心驅動力，其更快的開關速度、更低的損耗及更高的結溫耐受能力，讓變流器布局更緊湊且能在高溫環境下工作，這也對電容提出了更高的適配要求（見圖 1）。

圖 1：基于新型半導體特性的電容新需求

現代直流母線電容需要在更小的封裝內承受更高的電場強度和更大的電流密度，同時具備極低的等效串聯電感（ESL）以實現快速瞬態響應，以及低頻偏穩定的等效串聯電阻（ESR），最大限度降低高開關頻率下的損耗。

電容的內部設計同樣關鍵，趨膚效應、內部諧振、電流分布不均等寄生效應會導致 ESR 升高，進而降低系統效率。

熱管理也成為同等重要的設計考量：工程師為減小環路電感，常將電容貼近功率半導體安裝，使其直接承受功率模塊的傳導熱；再加上冷卻系統設計簡化、半導體結溫提升，電容面臨的熱應力大幅增加，必須在更高溫度和電流密度下穩定工作，且不犧牲使用壽命。

本文將闡釋 TDK 如何通過研發新型高溫介質薄膜，并將其集成至新一代模塊化大功率直流母線電容 ——ModCap UHP 系列，解決上述行業挑戰。

新型高溫聚合物介質：BOEPN 薄膜的研發與特性

TDK 與行業合作伙伴經過多年研發，成功開發出可應用于金屬化薄膜電容的高溫耐受介質薄膜材料。在聚丙烯 - 環烯烴共聚物（PP-COC）混合介質的前期研究基礎上，北歐化工（Borealis）與 TOPAS 先進聚合物公司聯合推出了斯泰洛拉 EPN（乙烯 - 丙烯 - 降冰片烯）材料。

EPN 材料的成分與工藝特性

EPN 由兩種材料復合而成，兼顧加工性與高溫性能：

• 聚丙烯（PP）：技術成熟、易加工的經典介質材料；

• 環烯烴共聚物（COC）：具備優異高溫耐受能力的介質材料。

純 COC 無法拉伸成薄膜，與 PP 混合后，所得復合材料既保留了標準 PP 的加工特性，又具備 COC 的高溫強度。

雙向拉伸 EPN（BOEPN）薄膜在實際應用中表現出卓越性能：常溫下，其自修復能力與標準雙向拉伸聚丙烯（BOPP）薄膜相當，介電強度和電容密度也與之匹配。

高溫環境下，BOEPN 薄膜的性能則顯著優于 BOPP 薄膜。即便在加速壽命測試（ALT）中，BOEPN 薄膜仍能保持良好的自修復能力、更低的漏電流和更高的擊穿強度，這一組合特性可防止直流電壓應力下的熱失控，確保高溫環境下的穩定工作。

將 BOEPN 應用于金屬化薄膜電容時，其老化特性和可靠性遠優于 BOPP 基電容（見圖 2）。

圖 2：BOEPN 與 BOPP 基電容的電場降額 - 溫度關系曲線

125℃下的測試結果顯示，BOPP 基電容老化速度更快，出現電容衰減、損耗（tan δ）升高、絕緣電阻下降等問題，進而導致漏電流增大，熱失效風險提升；而 BOEPN 基電容的 tan δ 僅緩慢上升，且該變化主要源于電極的輕微氧化，無其他性能劣化問題。

多項耐久性測試驗證了 BOEPN 的優勢：如圖 2 所示，85℃以上環境中，BOEPN 基電容可承受更高的電場強度，實現更高的電容密度，且無需降額使用，也不會縮短使用壽命。通過優化電容設計并將 BOEPN 集成至 ModCap 技術平臺，額定電場強度可進一步提升（見圖 3），為下一代變流器帶來更高的功率密度和熱穩定性。

圖 3：125℃壽命測試下BOEPN與BOPP基電容（1μF，每組 10 個）的電性能變化：左為1kHz下電容變化，中為1kHz下 tan δ 變化，右為 500V 10s 后的絕緣電阻變化

ModCap UHP 系列：專為極端工況設計的直流母線電容

以 BOPP 為介質的 ModCap HF 系列（B25647）已成為先進半導體配套直流母線電容的標桿產品。TDK 在該平臺基礎上，推出了搭載新型 BOEPN 介質薄膜的 ModCap UHP 系列（B25648），該材料使電容可在更高溫度和電流密度下無降額工作，且保持原有機械設計不變。

應用場景與產品兼容性

ModCap UHP 系列針對高功率密度、冷卻受限、高溫環境等 ModCap HF 系列已達性能極限的嚴苛應用場景，典型應用包括儲能系統（ESS）、集中式光伏逆變器、電解槽、大功率 DC-DC 變流器及采用碳化硅半導體的輔助驅動器。

ModCap HF 與 UHP 系列采用相同的模塊化設計、端子布局和外部尺寸，確保了機械和電磁兼容性（見圖 4）。

圖 4：ModCap UHP 電容圖紙與配置方案

兩款產品均具備極低的電感（ESL≈8nH），可實現快速瞬態處理；寬頻率范圍內的低 ESR；以及通過 ISCC 認證的生物循環聚丙烯材料；電容值、高壓強度完全一致，且在額定電壓和溫度下均擁有 200000 小時的使用壽命。

ModCap UHP 系列核心升級亮點

相較于 ModCap HF 系列，ModCap UHP 系列實現了關鍵性能突破：

• 電流密度提升高達 21%，在相同安裝空間下，可使變流器功率密度提升高達 45%；

• 額定工作溫度從 80℃提升至 105℃，且無需進行電壓或壽命降額。

這一特性讓 ModCap UHP 成為嚴苛熱環境下大功率變流器的理想選擇，無論熱環境源于冷卻系統簡化，還是鄰近半導體的熱傳導。

超出臺標 IEC 61071:2017 和 IEC 61881-1:2010 的測試驗證，ModCap UHP 在 105℃下的老化特性與 ModCap HF 在 80℃下相當，證明其在高溫工作環境下具備優異的穩定性和可靠性（見圖 5、圖 6）。

圖 5：ModCap HF（左）與 ModCap UHP（右）的電容隨時間變化曲線

圖 6：ModCap UHP 的平均使用壽命曲線

目前 ModCap UHP 系列的額定電壓覆蓋 1350V 至 1800V，表 1 為其主要電參數；900V 至 2000V 的電壓拓展版本正在研發中。

表 1：ModCap UHP 電特性與訂貨型號

實際應用對比：ModCap HF vs ModCap UHP

為驗證從 BOPP 基（ModCap HF）切換至 BOEPN 基（ModCap UHP）的實際優勢，TDK 針對大電流直流母線應用開展了詳細案例研究，評估額定溫度提升 25℃、電流密度提升 21% 所帶來的實際設計收益 —— 性能、體積及使用壽命。

測試場景參數

本次分析的變流器為典型大功率應用，參數如下：

• 直流母線電壓：1600V

• 總電容要求：≥1850μF

• 有效值電流：570A

• 環境溫度：75℃

• 功率模塊端子溫度：95℃

• 直流母線使用壽命要求：≥200000 小時

測試評估了兩種直流母線配置方案：采用 ModCap HF 電容（BOPP 介質）和采用 ModCap UHP 電容（BOEPN 介質）。

ModCap HF 方案：需 5 臺并聯，體積大、成本高

根據 ModCap HF 規格書，初選型號為 B25647A1647K003（1600V/640μF/160A）：3 臺并聯可滿足電容要求（≥1850μF），但僅能提供 480A（3×160A），低于 570A 的電流要求；需至少 4 臺并聯才能同時滿足電流和電容需求。

由于該配置受電流限制而非電容限制，選用更高電壓版本 B25647A11477K003（1800V/470μF/150A）可獲得更充足的使用壽命余量，最終該直流母線總容積為 15400cm3。

通過有限元法（FEM）仿真評估熱特性和預期使用壽命，仿真涵蓋熱邊界條件（環境溫度、冷卻方式、功率模塊熱傳導）、全頻率電流幅值譜及電容內部結構的電磁效應。

仿真結果顯示，電容內部最高溫度達 96℃（由自發熱和功率模塊端子熱傳導導致，見圖 7），超過 ModCap HF 的 80℃額定溫度，使用壽命低于 200000 小時，未達到設計目標。

為保證使用壽命和熱余量，需 5 臺并聯，參數如下：

• 直流母線電壓：1800V（＞1600V）

• 總電容：2350μF（＞1850μF）

• 有效值電流：750A（＞570A）

• 直流母線總容積：19300cm3

該方案雖在技術上可行，但大幅增加了設備體積和成本。

ModCap UHP 方案：僅 3 臺并聯，體積降 40%，滿壽命達標

針對同一 1600V 系統，對應的 ModCap UHP 型號為 B25648A1647K003（1600V/640μF/190A），該型號與同規格 ModCap HF 電容電壓、電容、外部尺寸完全一致，但其額定電流提升 19%，額定溫度提升 25℃（105℃ vs 80℃）。

僅 3 臺并聯即可滿足所有應用要求，參數如下：

• 直流母線電壓：1600V（與要求一致）

• 總電容：1880μF（＞1850μF）

• 有效值電流：570A（與要求一致）

• 直流母線總容積：11500cm3

相較于 ModCap HF 方案，總容積降低 40%。

相同邊界條件下的熱有限元仿真顯示，電容內部最高溫度為 104.8℃，略低于 105℃的額定限值；ModCap UHP 設計可實現無降額全壽命工作，在高溫應力下仍能達到 200000 小時使用壽命。

圖 7：相同電容、電壓、電流要求下的有限元仿真結果：ModCap HF（左）與 ModCap UHP（右）

總結與核心收獲

針對本次研究的大電流密度直流母線應用，僅需 3 臺 BOEPN 基 ModCap UHP 電容，即可替代 5 臺 BOPP 基 ModCap HF 電容，這一優化源于 ModCap UHP 系列更高的電流密度、功率密度及提升的額定工作溫度。

如表 2 和圖 8 所示，ModCap UHP 方案實現了兩大核心優勢：

• 直流母線體積降低 40%，依托 19% 的電流密度提升和 25℃的額定溫度提升；

• 電容成本降低 25%，還可節省外部匯流排的額外成本。

表 2：ModCap HF 與 ModCap UHP 直流母線方案對比

圖 8：相同電容、電壓、電流要求下的有限元仿真結果：ModCap HF（左）、ModCap UHP（右）

對于采用先進功率模塊、對電流、熱性能和使用壽命有嚴苛要求的應用場景，BOEPN 薄膜電容相較傳統 BOPP 基方案，能打造更緊湊、更具成本效益的直流母線設計。

在本次分析的高功率密度設計中，電流密度、熱管理和使用壽命是直流母線的關鍵參數，ModCap UHP 系列在這三者之間實現了優化平衡，為基于先進半導體技術的下一代功率變流器提供了空間高效的解決方案。