Der neue ModCap mag es heiß

Moderne Konverter brauchen Bauteile, die extreme Hitze und elektrische Belastung aushalten. Polypropylen-Kondensatoren stoßen dabei an ihre thermischen Grenzen, denn dieses Dielektrikum ist hinsichtlich seiner thermischen Leistungsfähigkeit limitiert. TDK hat ein neues Dielektrikum entwickelt: eine Mischung aus Polypropylen und cyclischem Olefin-Copolymer. Im ModCap UHP arbeitet es bei 25 K höheren Temperaturen – optimal für SiC- und GaN-basierte Systeme in den Bereichen erneuerbare Energien, Mobilität und industrielle Antriebe.

Neue Halbleiter treiben die Leistungselektronik voran. Sie schrumpfen Konverter und steigern deren Effizienz. Doch sie fordern auch mehr von allen anderen Bauteilen. Im Mittelpunkt dieser Entwicklung stehen Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN), also Halbleiter mit großer Bandlücke (Wide Bandgap, WBG). Sie schalten schneller, verlieren weniger Energie und halten mehr Hitze aus. So entstehen kompaktere Konverter, die auch bei höheren Temperaturen arbeiten. Um diese Vorteile voll zu nutzen, müssen auch die Kondensatoren besser werden (Abb. 1).

Abbildung 1:

Neue Anforderungen an Kondensatoren wegen neuer Merkmale von Halbleitern.

Für gutes Transientenverhalten braucht der Kondensator eine extrem niedrige Ersatzserieninduktivität (ESL). Ein niedriger Ersatzserienwiderstand (ESR), stabil über alle Frequenzen, hält die Verluste gering - auch bei hohen Schaltfrequenzen. Dabei spielt der innere Aufbau des Kondensators eine wichtige Rolle. Denn parasitäre Effekte wie der Skin-Effekt, Resonanzen im Inneren und eine inhomogene Stromverteilung können den ESR erhöhen und den Wirkungsgrad verringern.

Das Wärmemanagement wird immer wichtiger. Denn um die Schleifeninduktivität zu senken, montieren Entwickler Kondensatoren nahe an den Leistungshalbleitern. Dort müssen sie die Abwärme der Module verkraften. Sanftere Kühlsysteme und höhere Sperrschichttemperaturen der Halbleiter verstärken die thermische Beanspruchung. Entsprechend müssen Kondensatoren bei höheren Temperaturen und Stromdichten zuverlässig funktionieren, ohne an Lebensdauer einzubüßen.

Dieser Beitrag erläutert, wie TDK diese Herausforderungen gemeistert hat: Es entwickelte ein neues, hochtemperaturbeständiges Dielektrikum und integrierte es in die neueste Generation modularer DC-Link-Kondensatoren, die Serie ModCap UHP.

Neues Polymer für höhere Temperaturen

TDK arbeitete jahrelang mit Industriepartnern zusammen und entwickelte ein neuartiges Dielektrikum-Folienmaterial für höhere Betriebstemperaturen. Aufbauend auf früheren Entwicklungen zu Mischungen aus Polypropylen-Cyclo-Olefin-Copolymer (PP-COC) haben Borealis und TOPAS Advanced Polymers kürzlich ein Polymer namens Stelora™ EPN vorgestellt.

EPN (Ethylen-Propylen-Norbornene) ist eine Mischung aus zwei Materialien:

• Polypropylen (PP): ein bewährtes, leicht zu verarbeitendes Dielektrikum
• Zyklisches Olefin-Copolymer (COC): ein Dielektrikum mit höherer Temperaturbeständigkeit

Aus COC allein lässt sich nicht zu einer Folie umformen. Zusammen mit PP jedoch erhält man ein Material, das sich wie PP verarbeiten lässt und gleichzeitig die Hochtemperaturfestigkeit von COC aufweist.

Abbildung 2:

Derating-Kurven für die elektrische Feldstärke über die Temperatur für BOEPN- und BOPP-Kondensatoren. (Quelle: [4])

Biaxial orientierte EPN-Folien (BOEPN) leisten viel. Bei mittleren Temperaturen heilen sie genauso gut wie herkömmliche, biaxial orientierte Polypropylen-Folie (BOPP) und erreichen die gleiche Durchschlagsfestigkeit und Kapazitätsdichte. Bei höheren Temperaturen übertreffen BOEPN-Folien BOPP-Folien deutlich. Selbst bei beschleunigten Lebensdauertests (Accelerated Lifetime Test, ALT) bewahren BOEPN-Folien ihre gute Selbstheilfähigkeit, einen geringeren Leckstrom und eine höhere Durchschlagsfestigkeit. Dadurch wird verhindert, dass die Bauelemente unter Belastung durch Gleichspannung thermisch durchgehen, und es wird sichergestellt, dass sie auch bei erhöhten Temperaturen eine hervorragende Robustheit aufweisen.

In Folien-Kondensatoren verbessert BOEPN das Alterungsverhalten und die Zuverlässigkeit deutlich (Abb. 2). Tests bei +125 °C zeigen, dass Kondensatoren auf BOPP-Basis schneller altern. Ihre Kapazität nimmt ab, der Verlustfaktor (tan δ) steigt und der Isolationswiderstand sinkt. Dadurch steigt der Ableitstrom und das Risiko eines thermischen Versagens nimmt zu. Anders verhält es sich bei Kondensatoren auf BOEPN-Basis: Dort steigt der tan δ nur langsam, was in erster Linie auf eine geringe Elektrodenoxidation zurückzuführen ist.

Zahlreiche Dauertests bestätigen diesen Vorzug. Wie in Abbildung 3 dargestellt, halten Kondensatoren mit BOEPN bei über +85 °C höheren elektrischen Feldern stand. Dadurch erhöht sich die Kapazitätsdichte, ohne dass ein Derating erforderlich ist oder sich die Lebensdauer verkürzt. Ein optimiertes Kondensator-Design in Kombination mit BOEPN als Bestandteil der ModCap-Serie ermöglicht eine weitere Erhöhung des elektrischen Feldes. Dadurch steigen die Leistungsdichte und die thermische Stabilität bei Stromrichtern der nächsten Generation.
 

Abbildung 3:

Änderung der elektrischen Charakteristika von Kondensatoren auf Basis von BOPP und BOEPN (1 μF, 10 Stück pro Gruppe) über die Zeit bei +125 ºC: Links: Änderung der Kapazität bei 1 kHz, Mitte: tan δ bei 1 kHz; rechts: Isolationswiderstand nach 10 s bei 500 V. (Quelle: [4])

ModCap UHP – ein neuartiger Folien-Kondensator für höhere Temperaturen

Seit langem ist ModCap HF (B25647) von TDK mit BOPP als Dielektrikum eine Standardlösung für moderne DC-Link-Kondensatoren, die zusammen mit modernsten Halbleitern eingesetzt werden. Darauf aufbauend hat TDK nun den ModCap UHP (B25648) mit BOEPN als Dielektrikum eingeführt. Dadurch können Umrichter bei höheren Temperaturen und höheren Stromdichten arbeiten, ohne Derating und ohne das mechanische Design verändern zu müssen. TDK entwickelte ModCap UHP für anspruchsvolle Anwendungen mit hoher Leistungsdichte, extremer Kühlung und hohen Temperaturen – Bereiche, in denen ModCap HF an seine Grenzen stoßen könnte. Typische Anwendungen sind Energiespeichersysteme (ESS), PV-Zentralwechselrichter, Elektrolyseure, leistungsstarke DC/DC-Konverter und Hilfsantriebe mit SiC-Halbleitern.
 

Abbildung 4:

Zeichnung und Beschaltung des ModCap UHP. (Quelle: [7])

Sowohl ModCap HF als auch ModCap UHP basieren auf demselben modularen Konzept, haben das gleiche Anschlusslayout und die gleichen Außenabmessungen. Dadurch sind sie mechanisch kompatibel und weisen eine hohe elektromagnetische Verträglichkeit auf (siehe Abb. 4). Beide haben eine extrem kleine Induktivität (ESL ≈ 8 nH), um schnelle Transienten zu handhaben, sowie einen niedrigen ESR-Wert über einen großen Frequenzbereich. Zudem kommt ISCC-zertifiziertes bio-zirkuläres Polypropylen zum Einsatz. Beide bieten die gleichen Kapazitätswerte, eine hohe Spannungsfestigkeit und eine lange Lebensdauer von 200.000 Stunden bei Nennspannung und -temperatur.

ModCap UHP geht jedoch noch einen Schritt weiter:

• Eine um bis zu 21% höhere Stromdichte bedeutet eine um bis zu 45% höhere Leistungsdichte des Wandlers bei gleicher Grundfläche.
• Eine Erhöhung der Nenn-Betriebstemperatur von +80 °C auf +105 °C ohne Spannungs- oder Lebensdauerreduzierung.
   

Abbildung 5:

Im Gegensatz zum ModCap HF (links) verändert sich die Kapazität beim ModCap UHP (rechts) kaum über die Zeit und die Temperatur. (Quelle: [2])

Abbildung 6:

Durchschnittliche Betriebslebensdauer des ModCap UHP. (Quelle: [7])

Aus diesem Grund ist ModCap UHP immer dann die erste Wahl, wenn Konverter unter erschwerten thermischen Bedingungen – sei es aufgrund weniger leistungsfähiger Kühlsysteme oder eines zusätzlichen Wärmeeintrags von benachbarten Halbleitern – eine höhere Ausgangsleistung liefern müssen.

Tests, die über die Normen IEC 61071:2017 und IEC 61881-1:2010 hinausgehen, haben bestätigt, dass ModCap UHP bei +105 °C ein ähnliches Alterungsverhalten aufweist wie ModCap HF bei +80 °C. Dies belegt die hervorragende Stabilität und Robustheit des ModCap UHP im Betrieb bei erhöhten Temperaturen (Abb. 5 und 6).

Derzeit ist der ModCap UHP für Nennspannungen von 1350 V bis 1800 V erhältlich. Die wichtigsten elektrischen Parameter sind in Tabelle 1 aufgeführt. Derzeit wird daran gearbeitet, die Serie nach unten auf 900 V und nach oben auf 2000 V zu erweitern.

Faktencheck – ModCap HF vs. ModCap UHP

Um die tatsächlichen Vorteile zu verifizieren, die sich aus dem Wechsel von BOPP (ModCap HF) zu BOEPN (ModCap UHP) als Dielektrikum ergeben, untersuchte TDK in einer detaillierten Fallstudie eine leistungsstarke DC-Link-Applikation. Ziel war es, zu beurteilen, inwieweit sich die höhere Bemessungstemperatur (+25 K) und die höhere Stromdichte (+21%) der BOEPN-Folie tatsächlich positiv auf Leistung, Volumen und Lebensdauer auswirken.

Bei dem vorliegenden Umrichter handelt es sich um eine typische Hochleistungsanwendung mit den folgenden wichtigsten Anforderungen:

• DC-Link-Spannung: 1600 V
• Gesamtkapazität: ≥ 1850 µF
• Effektivwert des Stroms: 570 A
• Umgebungstemperatur: +75 °C
• Temperatur an den Anschlüssen des Leistungsmoduls: +95 °C
• Betriebslebensdauer des DC-Links: ≥ 200.000 h

Auf Grundlage dieser Vorgaben wurden zwei DC-Link-Konfigurationen evaluiert: eine mit ModCap HF und eine mit ModCap UHP.

ModCap-HF-Lösung

Laut Datenblatt des ModCap HF [8] eignet sich der B25647A1647K003 mit 1600 V, 640 µF und 160 A als Ausgangspunkt. Um die erforderliche Gesamtkapazität von ≥ 1850 µF zu erreichen, würden aus elektrischer Sicht drei parallel geschaltete Kondensatoren ausreichen. Allerdings würde der Effektivwert des Stroms nur 480 A (3 x 160 A) betragen und somit unterhalb der geforderten 570 A liegen. Daher sind mindestens vier parallel geschaltete Bauelemente erforderlich, um den Anforderungen hinsichtlich Strom und Kapazität gerecht zu werden.

Da diese Konfiguration jedoch eher durch den Strom als durch die Kapazität begrenzt ist, bietet die Variante B25647A11477K003 mit 1800 V, 470 µF und 150 A eine stabilere Marge hinsichtlich der Lebensdauer. Somit hat der resultierende DC-Link ein Gesamtvolumen von 15,4 dm³.

Um das Temperaturverhalten und die zu erwartende Lebensdauer einzuschätzen, wurden FEM-Simulationen (Finite-Elemente-Methode) durchgeführt. Dabei wurden die thermischen Randbedingungen (Umgebungstemperatur, Kühlbedingungen und die vom Leistungsmodul abgegebene Wärme) sowie das gesamte Amplitudenspektrum des Stroms über die Frequenz und die elektromagnetischen Effekte auf den inneren Aufbau des Kondensators berücksichtigt.

Abbildung 7:

FEM-Simulation mit denselben Anforderungen an die Kapazität, Spannung und Strom. ModCap HF (links), ModCap UHP (rechts). Quelle: [2]

Den Ergebnissen der FEM-Berechnungen zufolge liegt die maximale Temperatur im Inneren des Kondensators bei +96 °C. Ursache hierfür sind Eigenerwärmung und Wärmeleitung von den Anschlüssen des Leistungsmoduls (Abb. 7). Da dieser Wert höher ist als die Derating-Temperatur des ModCap HF von +80 °C, würde die Lebensdauer unter 200.000 Stunden liegen und die Zielvorgabe somit nicht erfüllen.

Um die Lebensdauer und die thermische Reserve zu wahren, müssten fünf Kondensatoren parallelgeschaltet werden. Diese Lösung würde Folgendes bieten:

• Zwischenkreisspannung: 1800 V > 1600 V
• Kapazität: 2350 µF > 1850 µF
• Effektivwert des Stroms: 750 A > 570 A
• Volumen des DC-Links: 19,3 dm³

Auch wenn dies technisch gangbar ist, steigen dadurch sowohl die Baugröße als auch die Kosten erheblich.

ModCap-UHP-Lösung

Das Gegenstück aus der neuen ModCap-UHP-Serie für dasselbe 1600-V-System ist der B25648A1647K003 mit 1600 V, 640 µF und 190 A [7]. Dieses Bauelement bietet die gleichen Werte bei Spannung, Kapazität und Abmessungen wie der ModCap HF. Allerdings liegt der Bemessungsstrom um 19% höher und die Bemessungstemperatur um 25 K höher (+105 °C gegenüber +80 °C).

Mit drei parallelgeschalteten Kondensatoren lassen sich alle Anforderungen der Anwendung erfüllen:

• DC-Link-Spannung: 1600 V = 1600 V
• Kapazität: 1880 µF > 1850 µF
• Effektivwert des Stroms: 570 A = 570 A
• Volumen des DC-Links: 11,5 dm³

Im Vergleich zum Design mit ModCap HF schrumpft das Gesamtvolumen des DC-Links um 40%.

Thermische FEM-Simulationen unter identischen Randbedingungen ergaben eine Höchsttemperatur im Inneren von +104,8 °C, also knapp unterhalb der Bemessungstemperatur von +105 °C. Somit erreicht das Design mit ModCap UHP die volle Lebensdauer von 200.000 Stunden ohne Derating, auch bei erhöhter thermischer Belastung.

Zusammenfassung und Schlussfolgerungen

Dieser Vergleich zeigt, dass für die betrachtete DC-Link-Lösung mit hoher Stromdichte nur drei BOEPN-basierte Kondensatoren anstelle von fünf BOPP-basierten Bauelementen erforderlich sind. Grund dafür sind die höhere Strom- und Leistungsdichte sowie die erhöhte Bemessungstemperatur der ModCap-UHP-Serie.

Abbildung 8:

DC-Link-Lösung für die gleichen Anforderungen hinsichtlich Kapazität, Spannung, Strom und thermischer Lebensdauer. Zu sehen sind die Lösung mit ModCap HF (links) und die Lösung mit ModCap UHP (rechts). Quelle: [2]

Wie in Tabelle 2 und Abbildung 8 dargestellt, bietet die Lösung mit ModCap UHP folgende Vorteile:

• 40% kleinere Abmessungen des DC-Links dank einer um 19 % höheren Stromdichte und einer um 25 K höheren Bemessungstemperatur.
• 25% niedrigere Bauelemente-Kosten, ungeachtet der zusätzlichen Einsparungen durch eine kleinere externe Sammelschiene (Busbar).
   

Zusammengefasst bieten Folien-Kondensatoren aus BOEPN für Anwendungen mit hohen Anforderungen an Strom, Temperatur und Lebensdauer, wie sie beispielsweise bei hochmodernen Leistungsmodulen üblich sind, ein kompakteres und kostengünstigeres DC-Link-Konzept als herkömmliche BOPP-Lösungen

Bei Designs mit hoher Leistungsdichte wie der betrachteten Anwendung sind die maßgeblichen Parameter des DC-Links die Stromdichte, das Wärmemanagement und die Lebensdauer. ModCap UHP verbindet diese Anforderungen optimal und bietet damit eine robuste und platzsparende Lösung für Stromrichter der nächsten Generation, die auf neuesten Halbleitertechnologien basieren.

Referenzen

[1] M. Gómez, "Innovative film capacitor technologies for wide band-gap semiconductors," IEEE PSMA Capacitor Committee Workshop 2020

[2] F. Rodríguez, "High Temperature Capacitors for Medium Voltage Applications with New WBG Semiconductors", ECPE Hybrid Workshop, Medium Voltage Power Electronics, Freiburg, Germany, 2025.

[3] C. Alba, D. Peláez, and L. Cabo, "High-Temperature Metallized Polymer Film Capacitors Based on Blends of Polypropylene and Cyclic Olefin Copolymers," 2020 IEEE 3rd International Conference on Dielectrics (ICD), Valencia, Spain, 2020, pp. 669-672, doi: 10.1109/ICD46958.2020.9342006.

[4] U. Wahner and C. Alba, "Polymers in Film Capacitors - The Next Generation Material is available!," PCIM Europe 2023; International Exhibition and Conference for Power Electronics, Intelligent Motion, Renewable Energy and Energy Management, Nuremberg, Germany, 2023, pp. 1-8, doi: 10.30420/566091018.

[5] IEC 61071:2017 Capacitors for power electronics

[6] IEC 61881-1:2010 Railway applications - Rolling stock equipment - Capacitors for power electronics - Part 1: Paper/plastic film capacitors

[7] ModCap UHP Datasheet, 2025, https://www.tdk-electronics.tdk.com/inf/20/50/ds/ModCap_UHP_B25648.pdf

[8] ModCap HF Datasheet, 2025, https://www.tdk-electronics.tdk.com/inf/20/50/ds/B25647_ModCap_HF.pdf