无需实样即可开发直流母线电容

过去，硬件样品需经历复杂测试周期才能测量热点、谐振及电流峰值。如今工程师可通过仿真实现。TDK提供免费工具，支持工程师对薄膜电容器进行虚拟验证——从单个电容元件到完整的直流链路电容模组，全程无需实物样品。此举可节省时间成本，助您赢得竞争优势。

电力电子工程师必须确保设计一次成功。仿真与数字建模——即数字孪生技术——已成为必备手段。针对直流链路、滤波器和逆变器中的关键元件薄膜电容器，TDK提供包括CLARA和CapThermal在内的全套基于网页的设计工具，助力工程师实现高可信度的性能预测。

这些工具源自实测精密模型。通过将电磁与热分析相结合的一套严格流程，弥补了物理行为与数字预测之间的差距。

从真实测试到数字孪生

随着工业4.0和数字孪生理念的推进，工程师对所用元件的理解日益深入。为此，TDK通过有限元分析（FEA）对电容器进行数字化处理，精准捕捉其电磁与热特性。

为确保模型真实反映实际性能，TDK采用基于三步法的"测试-仿真-建模"流程：

1. 代表性测试：从标准系列中选取样本，在严格控制条件下进行电磁与热测试。
2. 仿真校准：模拟环境复现代表性测试条件，持续优化模型直至测试与仿真结果一致。
3. 模型创建：验证通过后，模型将扩展至代表整个系列，以满足实际应用需求。

图1展示了从几何输入到仿真输出的完整工作流程。该流程不仅适用于标准系列，也覆盖定制电容器的设计及客户专属项目

虚拟特性分析：洞悉每个细节

电容器的物理参数——几何结构、额定电压、电流和温度——用于驱动电磁仿真，以获取三维损耗分布。基于此，TDK设计了SPICE模型，使工程师能够在逆变器电路中模拟电容器的行为。

热仿真基于这些数据，运用计算流体动力学（CFD）在实际应用条件下评估温度分布与热点形成。

这些仿真最终构成了TDK CLARA（电容器使用寿命估算和额定参数查询APP）平台的核心，该平台包含电容器组和CapThermal等实用工具。每款工具都能帮助工程师在无需冗长测试周期的情况下，可视化并优化电容器使用性能。

图 1:

数字化流程图

图 2:

模拟（虚拟表征）与实测获得的ESR和ESL曲线示例

 

 

 

 

电磁建模的强大能力

电磁建模是TDK数字化进程的基石。与遵循方法成熟的稳态热建模不同，电磁仿真需要对电流流动、寄生效应及内部场分布有深刻理解。

通过虚拟特性分析，工程师无需制作任何样品即可精确测定不同频率下的阻抗（|Z|）、电容（C）、等效串联电阻（ESR）及电感（ESL）。图2对比了虚拟测量与物理测量的ESR和ESL曲线，呈现出近乎完美的吻合度。

该方法同时考虑制造公差与老化效应，使用户能探索标准工况与极端工况下的性能表现。

考虑温度的影响：热模型

温度主要通过金属镀层的电阻温度系数（TCR）影响电容器的电气性能。虽然金属本体的材料特性已广为人知，但金属化薄膜的行为却有所不同。

图 3:

考虑在工作条件（电流频谱）下从环境温度到典型应用温度TCR导致的损耗增加情况

TDK已对电容器内部各个组件的TCR特性进行表征，确保虚拟模型能精确反映温度相关损耗。根据应用场景（直流母线、滤波器或PCB布局安装）不同，TCR影响存在差异（图3），这有助于工程师预测实际工作条件下的性能变化趋势

SPICE等效模型：连接物理与仿真

SPICE仍是电子电路仿真的标准工具。但准确结果取决于精准的元件模型。TDK的SPICE等效模型兼具数学精度与计算效率，可同时在时域与频域中真实模拟电容器特性（图4）。

图 4:

简化电容器模型

每个模型均包含充分元素以模拟实际行为，同时不拖慢仿真速度。这些模型不仅适用于单个元件，还能描述完整的直流母线系统、PCB组件或定制配置（图5）。

TDK通过官网及CLARA平台为所有标准薄膜电容器系列提供SPICE模型。定制模型亦可按需生成，使工程师能够在控制器设计中直接模拟真实电容工况，从而提升设计信心。

图 5:

测量值、仿真结果与等效SPICE模型的ESR及ESL曲线对比

 

 

 

 

图 6:

被分析电容器结构（左），ESR曲线与电流分析（右上），以及10 kHz、37 kHz和60 kHz频率下的热仿真结果（右下）

揭示隐蔽交互作用

电磁仿真可视化电容内部的隐蔽交互。工程师能检测到趋肤效应、阻抗分布不均或内部谐振等现象——这些效应仅凭测量难以捕捉。

例如图6展示了圆柱形电容器内部谐振如何导致其单个电容元件出现电流峰值，而外部总电流保持不变。此类发现有助于开发人员规避不必要的谐振，提升整体系统可靠性。

通过热测试与仿真进行验证

热建模遵循图1所示的相同理念：先测试，后模拟，再建模。由于实际工况难以复现，热仿真至关重要。它使工程师能够分析物理上无法测量的内部温度点。

TDK CLARA平台内的电容器组仿真器融合CFD与实测数据，可根据几何结构、冷却气流及工况参数预测电容器阵列的温升。图7展示了5个xEVCap并联的样本输出，该工具计算了所有单元间的温度分布。

图 7:

电容器组仿真结果

CapThermal：无需复杂仿真即可快速获取热分析结果

针对需要快速获取热分析结果的工程师，TDK开发了CapThermal——这款简化的基于网页的工具可模拟完整有限元分析（FEA）的结果。用户只需输入损耗、环境温度和冷却等边界条件，即可即时获得热点分布图和表面温度分布图（图8）。

CapThermal使专业级热分析触手可及，助力设计师根据工况选择最优电容器，甚至探索通过优化散热或布局延长使用寿命的方案。

图 8:

CapThermal示例仿真结果

图 9:

热集成仿真

热集成：全面考量

在新能源汽车及其他高功率应用中，电容器极少独立工作。它们与半导体器件和冷却系统共处同一环境。TDK的热集成方案通过模拟整个子系统（例如直流母线电容器、半导体模块及冷却液流路）来解决这一问题。

该方法通过直接建模元件交互与热交换过程（图9），能更精确地呈现实际工作温度。由此工程师可获得电容器在完整系统中的真实行为表现，而非孤立状态下的数据。

迈向全数字化设计的征程

TDK持续推进的数字化计划旨在将所有标准电容器系列转化为精确验证的数字模型。这些资源通过CLARA平台提供，涵盖SPICE模型、电容器组仿真，以及现已推出的热仿真工具CapThermal。

通过整合电磁仿真、电路仿真与热建模技术，TDK助力工程师更智能、更高效且更自信地进行设计。由此实现：减少样品制作、缩短开发周期，并在工业驱动、可再生能源到汽车电力电子等各类应用中优化电容器使用。

Fernando Auñón, Fernando Rodríguez, Sergio Sepúlveda, David Olalla TDK电子
 

参考文献

[1] S. Chowdhury, E. Gurpinar, and B. Ozpineci, "Capacitor Technologies: Characterization, Selection, and Packaging for Next-Generation Power Electronics Applications," IEEE Transactions on Transportation Electrification, vol. 8, no. 2, pp. 2710–2720, 2022.

[2] H. Wang et al., "A Thermal Modeling Method Considering Ambient Temperature Dynamics," IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 35, no. 1, pp. 6–9, 2020.

[3] V.V.R. Narashimha Rao et al., "Electrical resistivity, CR and thermo electric power of annealed thin copper films," Journal of Physics D: Applied Physics, vol. 9, no. 1, 1976.

[4] M.F. Staniloiu et al., "SPICE model of a real capacitor: Capacitive feature analysis with voltage variation," 2020 International Conference and Exposition on Electrical and Power Engineering (EPE), 2020.