解决六个月难题

重新设计定制直流母线电容器以提高电流容量需要六个月的时间，并且需要大量采购。在许多电动汽车逆变器项目中，这两个因素阻碍了任何创新。TDK的模块化xEVCap方案颠覆了传统模式：采用现成组件、在线设计数据，并具备从原型到量产的灵活扩展能力。但实际应用中是否可行？TDK携手主要半导体合作伙伴，通过150kW牵引逆变器原型机验证了该方案。

每个牵引逆变器设计师都深知这个难题：当需要提升电流容量时，必须重新设计整个直流母线电容器。新的内部布局、新的外部连接、新的认证测试——而这一切都需达到定制模具可行的批量门槛才能启动。开发周期往往延长至六个月以上，严重拖累项目进度。

系统级寄生参数：绝非简单叠加

采用模块化电容器设计时，人们常误以为总电感仅是各元件电感的简单相加。事实并非如此——元件间的相互作用会使系统总电感增加或减少。

我们模拟了由五个xEVCap单元（型号B25654A8806K001，80 µF，850 V）组成的直流母线，工作频率为2 MHz。 若将各组件电感相加——半导体端子3.1 nH、母线3.7 nH、并联电容器1.1 nH——总和为7.9 nH。但实际测得的系统电感值竟达8.3 nH。这额外的0.4 nH源于组件间的电磁耦合效应。

图 1:

（左）根据[1]对4单元和6单元配置进行的ESR/ESL仿真。（右）意法半导体（STMicroelectronics）的双脉冲测试（DSC Gemini 800 V/300 kW 牵引逆变器）。4个 B25654A8137K002（4×135 μF/850 V），显示总寄生电感

数学表达式如下：ESL_直流母线= Σ(ESL_元件) ± Σ(ESL_耦合)

我们通过意法半导体的800V/300kW牵引逆变器验证了该模型。双脉冲测试显示总杂散电感为13nH，与有限元仿真结果吻合（图1）。

降低系统ESL有三种途径：优化功率模块连接以削减端子电感；最大化母线重叠；增加并联电容元件。每增加一个模块都能降低总电感，但边际效益递减。

ESR 并非恒定值——这点很重要

这里有一个让设计师们感到困惑的现象：ESR会随频率变化。两个均值相同的电流波形，若其频率成分不同，将产生不同的损耗。我们用同一电容器和相同均值电流进行了验证——纯10kHz正弦波与真实汽车开关频谱。电容器的损耗及其分布差异显著（图2）。

图 2:

直流母线电容器在单频10kHz（左）和实际频率电流谱（右）下的功率损耗对比

ESR的频率依赖性由五大因素驱动：集肤效应、阻抗不均匀性、内部谐振、电磁耦合及绕组几何结构。xEVCap针对电容器内部因素进行优化，外部因素则需通过合理汇流排与连接设计加以控制。

装配工艺：采用选择性波峰焊工艺实现高可靠性接合

每个xEVCap模块配备八个直径1.2毫米的镀锡铜端子（每极性四个），专为层压母线或PCB连接设计。

焊接工艺需严格控制温度。若超出数据手册限定范围，将增加电极薄膜接触劣化导致ESR升高或介质损伤引发绝缘电阻降低的风险。 进行选择性波峰焊接时，预热温度应低于+110°C，焊接温度在参考测量点（如数据手册所示）应低于+120°C，焊接时间不得超过45秒。 此外，采用焊接岛设计的汇流排可限制热量向电容器元件的传递，同时确保 焊接接头的可靠性。热循环和热稳定性测试表明所有焊接接头均未出现弱点，且均取得良好结果。

热管理：实现半导体与电容器的解耦

直流母线电容器的热设计围绕一个关键参数展开：介质热点温度。该参数决定了电容器在任务工况下的使用寿命。挑战在于电容器紧邻系统中最大的热源——功率半导体器件。

端子温度：关键边界条件

铜端子为电容器提供了直接的高导热路径。我们针对35W电容器损耗进行热仿真，仅改变半导体端子温度：+105℃、+115℃和+125℃。结果令人震惊——系统温度与端子温度高度吻合，且热效应集中在半导体连接区域（图3）。

图 3:

半导体端子温度的重要性。针对端子温度为+105 °C、+115 °C 和 +125 °C 三种情况进行的热仿真。（英飞凌科技股份公司与TDK的合作）

好消息：后续测试证实，xEVCap热点温度始终低于端子温度。

主动冷却策略：位置至关重要

图 4:

直流母线解决方案：在母线特定区域采用导热垫实现热量导出，并使半导体与xEVCap实现热解耦。（母线设计由英飞凌科技公司提供）

大多数汽车直流母线应用需要主动冷却——其电流和频率需求过高，被动方法难以应对。闭环水冷是标准方案。但冷却表面的位置选择至关重要。

我们的方案将冷却器置于母线与半导体端子及电容器之间（图4），实现双重目标：

• 热量提取：冷却面处于最佳位置，铜的高导热性通过端子将母线和电容器的热量同时导出。
• 热解耦：冷却器通过物理与热隔离将电容器与半导体模块分离，减少向介质的热传递。

图 5:

两种工况下DC-Link方案的仿真对比：无冷却（左）/带冷却（右）。（红色：电流损耗；蓝色：边界条件；正值：注入电容器；负值：提取）(英飞凌与TDK合作成果)

图5展示显著差异：无冷却时，半导体与电容器间热量积聚导致介质温度升高；启用冷却后，半导体端子成为最高温区域，所有热量均通过冷却器排出。

实际验证：150 kW验证台测试

我们构建了配备三组xEVCap单元（型号B25654A8806K001，每组80 µF/850 V/56 A（均方根））的150 kW额定功率验证平台。该装置包含可拆卸的加热/冷却元件，用于模拟半导体损耗并在真实工况下测试热集成性能。

T测试在168 A（均方根值）和20 kHz频率下进行。九个175 W筒式加热器模拟约1500 W的半导体损耗，其位置与实际模块布局一致。母线连接处的附加电阻器再现了半导体端子的热效应。采用3.2 W/(m·K)导热系数的1.5 mm厚导热垫确保与冷却表面良好接触。

测试涵盖多重条件组合：进水温度（+50 °C 或 +60 °C）、流量（5 L/min 或 8 L/min）以及母线-半导体连接温度（+70 °C 至 +100 °C）。

关键结果（图6）：未冷却时，母线温度达到+55 °C，电容器最高温度为+62.1 °C。 在全冷却与加热模式下（冷却水温度+60 °C至+64 °C，加热器温度+135 °C），最高温点 转移至xEVCap端子（+85.7 °C），证实了有效的热解耦效果。系统成功将电容器热量导出，冷却后的母线区域温度低于电容器热点，验证了热解耦策略的有效性。

突破六个月开发周期限制

牵引逆变器行业历来依赖定制直流母线电容器——这种模式虽适用于大批量生产，却严重制约了开发速度与灵活性。

xEVCap将低功率电子领域的目录化元件理念应用于主牵引逆变器。多种额定值、电压及配置均可现货供应，所有设计信息在线可查。该方案以牺牲部分优化潜力为代价，换取了速度、灵活性及更低的准入门槛——彻底消除了长达六个月的重新设计周期。

本文所述系统级方案——经由FEM仿真、双脉冲测试及与意法半导体、英飞凌科技、罗杰斯公司、滨松光子学合作开展的热性能验证——证明模块化解决方案经合理集成后可满足汽车性能要求。

对于众多应用场景——尤其在开发阶段、小批量生产或供应链灵活性至关重要的领域——模块化方案具有显著优势。关键在于同时提供两种选择方案。

当前我们正致力于推进微型化进程、实现EMC滤波器集成，并持续优化包括自动化激光焊接在内的装配工艺。虚拟特性分析工具正在开发中，旨在模拟不同功耗与散热场景下的完整系统热行为。

作者：David Olalla、Tomas Wagner、Fernando Rodriguez 与 Alberto Espinar TDK电子
 

参考文献

[1] D. Olalla et al., 'A Modular DC-Link Capacitor Solution for the Main Powertrain Inverter of xEVs,' PCIM 2024

[2] S. Chowdhury, E. Gurpinar, 'Capacitor Technologies: Characterization, Selection, and Packaging,' IEEE Trans. Transportation Electrification, Vol. 8, No. 2, 2022

[3] F. Auñón et al., 'Film Capacitor Standard Series Digitalization: Electromagnetic & Thermal Modeling implementation in CLARA Web Tool,' PCIM 2024

[4] TDK xEVCap datasheet B25654A*001, July 2024

[5] IEC TS 63337 Ed. 1: 'Basic qualification of DC-link film capacitors for automotive use,' February 2024