新型ModCap偏爱高温

碳化硅和氮化镓半导体推动变流器实现更高功率密度和工作温度——但传统聚丙烯电容器难以满足要求。TDK全新ModCap UHP系列采用聚丙烯-环氧树脂复合介质，耐温性比标准薄膜电容器高出25K，完美解决这一难题。使用ModCap UHP可使可再生能源、电动汽车及工业驱动应用中的直流链路设计体积缩小高达40%。

电力电子工程师面临着一个熟悉的挑战：新型半导体技术使变流器体积更小、效率更高、功率输出更大。与此同时，系统中的其他所有组件都必须跟上步伐。 碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）等宽禁带（WBG）半导体正推动着这种转变。其更快的开关速度、更低的损耗和更高的结温能力，使得变流器布局更紧凑，能在高温环境下运行。电容器技术必须加以革新以满足这些需求（图1）。

 

 

现代直流母线电容器需在更小封装中承受更高电场强度和更大电流密度。其等效串联电感(ESL)必须极低以实现快速瞬态响应，同时需具备低且频率稳定的等效串联电阻(ESR)以减少高频开关损耗。内部设计同样关键：集肤效应、内部谐振及电流分布不均等寄生效应会增加ESR并降低效率。

热管理同样至关重要。工程师常将电容器紧邻功率半导体安装以缩小回路电感，导致其暴露于功率模块的传导热中。结合冷却系统效能降低与半导体结温升高，电容器承受着日益严峻的热应力。它们必须在更高温度和电流密度下可靠运行，且不牺牲使用寿命。

本文阐述了TDK如何通过开发新型高温介质薄膜，将其应用于新一代模块化大功率直流母线电容器ModCap UHP系列，从而攻克这些挑战。

 

专为高温环境设计的全新聚合物

TDK与行业伙伴历经多年研发，成功开发出适用于金属化薄膜电容器的高温介质薄膜材料。基于早期聚丙烯-环烯烃共聚物（PP-COC）复合材料的研究成果，Borealis与TOPAS Advanced Polymers近期推出Stelora™ EPN（乙烯-丙烯-降冰片烯）材料。

EPN融合两种材料：

• 聚丙烯（PP）：成熟易加工的介电材料
• 环烯烃共聚物（COC）：具备卓越耐温性能的介电材料

纯COC无法拉伸成薄膜。但与PP共混后，所得材料既能像标准PP一样加工，又能保持COC的高温强度。

多项耐久性测试证实了这一优势。如图2所示，采用BOEPN的电容器在+85℃以上环境中能承受更高电场强度，从而实现更高电容密度且无需降额或缩短寿命。通过优化电容器设计并将BOEPN集成至ModCap技术，额定电场强度可进一步提升（图3），为新一代变流器提供更高功率密度与热稳定性。
 

 

ModCap UHP：专为极端环境打造

TDK的ModCap HF系列（B25647）采用BOPP介质薄膜，为先进半导体应用中的直流母线电容器树立了标杆。在此成熟平台基础上，TDK现推出采用新型BOEPN介质薄膜的ModCap UHP系列（B25648）。该材料可在更高温度和电流密度下运行且无需降额，同时保持相同的机械设计。 ModCap UHP系列专为严苛应用场景设计，当功率密度、散热限制及温度条件使ModCap HF系列达到极限甚至超出极限时，该系列可完美胜任。典型应用包括：储能系统（ESS）、中央太阳能逆变器、电解槽、 大功率DC-DC变流器，以及采用碳化硅半导体的辅助驱动系统。
 

 

 

经IEC 61071:2017和IEC 61881-1:2010标准外测试验证，ModCap UHP在+105 °C环境下的老化特性与ModCap HF在+80 °C环境下相当，展现出卓越的高温运行稳定性与抗干扰能力（见图5和图6）。

ModCap UHP目前提供1350V至1800V额定电压规格；表1列示主要电气参数。900V至2000V电压扩展型号正在开发中。

 

 

 

 

 

 

 

 

实际应用对比：ModCap HF与ModCap UHP

为验证从BOPP（ModCap HF）切换至BOEPN（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。目标：评估额定温度提升+25K及电流密度提升+21%如何转化为实际设计效益——性能、体积与寿命。

所分析的变流器代表了典型大功率应用：

• 直流母线电压：1600 V
• 总电容：≥1850 µF
• 均方根电流：570 A
• 环境温度：+75 °C
• 功率模块端子温度：+95 °C
• 直流母线寿命：≥200,000 小时

评估了两种直流母线配置：一种采用 ModCap HF 电容器（BOPP 介质），另一种采用 ModCap UHP 电容器（BOEPN 介质）。

 

ModCap HF解决方案

根据ModCap HF数据手册[8]，B25647A1647K003（1600V/640μF/160A）是一个合适的起始选型。 三只电容器并联可满足电容要求（≥1850 µF），但仅提供480 A（3×160 A）——低于所需的570 A。至少需要四只并联才能同时满足电流和电容需求。

由于该配置受限于电流而非电容，采用更高电压型号B25647A11477K003（1800 V / 470 µF / 150 A）可提供更宽裕的使用寿命余量。由此形成的直流母线总容积为15.4立方分米。

有限元法（FEM）仿真评估了热行为与预期寿命，涵盖热边界条件（环境温度、冷却方式、功率模块传热）、全频段电流幅值谱以及电磁场对内部电容器结构的影响。
 

 

有限元分析结果显示，内部电容器最高温度达+96 °C，由自发热及功率模块端子传导热量共同导致（图7）。由于该温度超出ModCap HF的+80 °C额定值，使用寿命将低于200,000小时——违反设计目标。

为维持使用寿命与热余量，需采用五单元并联方案，提供：

• 直流母线电压：1800 V > 1600 V
• 电容值：2350 µF > 1850 µF
• 均方根电流：750 A > 570 A
• 直流母线容积：19.3 dm³

虽然技术上可行，但该方案会显著增加体积和成本。

 

ModCap UHP解决方案

针对相同的1600伏系统，等效ModCap UHP电容器型号为B25648A1647K003（1600伏/640微法/190安培）[7]。 该型号与ModCap HF型号具有相同的电压、电容和外形尺寸，但额定电流高出19%，额定温度高出25K（+105°C vs. +80°C）。

三个并联电容器满足所有应用要求：

• 直流母线电压：1600 V = 1600 V
• 电容值：1880 µF > 1850 µF
• 均方根电流：570 A = 570 A
• 直流母线体积：11.5 dm³

与ModCap HF设计相比，总直流母线容积减少40%。

在相同边界条件下进行的FEM热仿真显示，内部最高温度为+104.8 °C——仅略低于+105 °C额定限值。ModCap UHP设计在高温应力条件下仍能实现200,000小时全寿命无降额运行。

 

总结与核心要点

针对所研究的高电流密度直流母线，仅需三只基于BOEPN的电容器即可替代五只BOPP电容器。这种减少源于更高的电流和功率密度，以及ModCap UHP系列额定温度的提升。

 

如表2和图8所示，ModCap UHP解决方案实现：

• 直流母线体积缩减40%，得益于19%的电流密度提升及25K的额定温度提升
• 电容器成本降低25%，未计入外部母线尺寸缩小带来的额外节省

 

对于电流、热管理和寿命要求严苛的应用场景（如采用先进功率模块的系统），BOEPN薄膜电容器相比传统BOPP基解决方案，能提供更紧凑且成本更优的直流母线设计。

在本文分析的高功率密度设计中，关键直流母线参数包括电流密度、热管理和寿命。ModCap UHP在体积、电容密度、电流承载能力、寿命和成本之间实现了优化平衡，为基于先进半导体技术的下一代电源变流器提供坚固耐用且空间高效的解决方案。

 

参考文献

[1] M. Gómez, "宽禁带半导体创新薄膜电容器技术", IEEE PSMA电容器委员会研讨会2020

[2] F. Rodríguez, "新型宽禁带半导体中压应用高温电容器", ECPE混合研讨会·中压电力电子, 德国弗莱堡, 2025.

[3] C. Alba, D. Peláez, and L. Cabo, "基于聚丙烯与环状烯烃共聚物混合物的耐高温金属化聚合物薄膜电容器", 2020年IEEE第三届国际介电会议(ICD), 西班牙瓦伦西亚, 2020年, 第669-672页, doi: 10.1109/ICD46958.2020.9342006.

[4] U. Wahner 与 C. Alba，"薄膜电容器中的聚合物——新一代材料已问世！"，PCIM Europe 2023；电力电子、智能运动、可再生能源与能源管理国际展览会暨会议，德国纽伦堡，2023年，第1-8页，doi: 10.30420/566091018。

[5] IEC 61071:2017 电力电子用电容器

[6] IEC 61881-1:2010 铁路应用——轨道车辆设备——电力电子用电容器——第1部分：纸/塑料薄膜电容器

[7] ModCap UHP 数据手册，2025年，https://www.tdk-electronics.tdk.cn/inf/20/50/ds/ModCap_UHP_B25648.pdf 

[8] ModCap HF 数据手册，2025年,https://www.tdk-electronics.tdk.cn/inf/20/50/ds/B25647_ModCap_HF.pdf