Ohne Prototyp zum fertigen DC-Link

Hotspots, Resonanzen, Stromspitzen: Wofür früher aufwendige Testzyklen an realen Prototypen nötig waren, wird heute von der Simulation bewältigt. TDK liefert kostenlose Tools wie CLARA und CapThermal, mit denen Ingenieure Folien-Kondensatoren virtuell durchleuchten können – vom einzelnen Bauelement bis zum kompletten DC-Link. Ganz ohne Prototyp. Das spart Zeit, Geld und verschafft so einen entscheidenden Vorsprung.

Simulationen und digitale Modelle, auch digitale Zwillinge genannt, unterstützen Ingenieure entscheidend dabei, auf Anhieb einwandfreie Designs zu entwickeln. TDK bietet eine umfassende Palette webbasierter Entwurfswerkzeuge wie CLARA und CapThermal für Folien-Kondensatoren – Schlüsselbauelemente in DC-Links, Filtern und Invertern. Damit lässt sich deren? Leistungsfähigkeit zuverlässig vorhersagen.

Diese Tools basieren auf ausgereiften Modellen, die aus realen Tests stammen. Jede Simulation führt elektromagnetische und thermische Analysen zusammen, um physikalisches Verhalten digital vorherzusagen.

Von der realen Testumgebung hin zu digitalen Zwillingen

Digitale Zwillinge geben Ingenieuren tiefere Einblicke in die Bauelemente. Deswegen digitalisiert TDK seine Kondensatoren mittels Finite-Elemente-Analyse (FEA). Dabei erfasst das Unternehmen die elektromagnetischen und thermischen Eigenschaften detailliert.

TDK nutzt den Ansatz „Test-Simulation-Modell“, um sicherzustellen, dass diese Modelle die realen Leistungsmerkmale abbilden. Dieser Prozess besteht aus drei Schritten:

1. Stichprobenprüfung: TDK testet ausgewählte Muster aus der Standardreihe unter streng überwachten Bedingungen elektromagnetisch und thermisch.
2. Abgleich der Simulationen: Die Simulationen bilden die gleichen Bedingungen wie in der Stichprobenprüfung nach. Die Bauelemente-Entwickler bei TDK verfeinern die Modelle so lange, bis Testergebnisse und Simulationsergebnisse übereinstimmen.
3. Modellerstellung: Sobald die Ergebnisse validiert sind, überträgt TDK das Modell auf die gesamte Serie, um den realen Anwendungsfall abzubilden.

Abbildung 1 zeigt den vollständigen Prozess – von der Eingabe der Geometriedaten bis zur Ausgabe der Simulationsergebnisse. TDK nutzt diesen Prozess bei Standardreihen, kundenspezifischen Designs und Projekten.

Virtuelle Charakterisierung: jedes Detail verstehen

Die physikalischen Parameter des Kondensators stehen am Anfang: Geometrie, Nennspannung, Nennstrom und Temperatur. Diese Daten dienen als Grundlage für elektromagnetische Simulationen. Diese bilden die Verlustverteilung in 3D ab. TDK generiert daraus SPICE-Modelle. Damit simulieren Ingenieure das Verhalten des Kondensators im Umrichter.

Die Daten dienen auch thermischen Simulationen. Diese nutzen numerische Strömungsmechanik (Computational Fluid Dynamics, CFD) und bewerten Temperaturverteilung sowie Hotspots unter realistischen Randbedingungen.

Diese Simulationen sind die Grundlage der CLARA-Plattform (Capacitor Life And Rating Application) von TDK, die praktische Tools wie Capacitor Banks und CapThermal umfasst. Ingenieure können damit die Leistungsfähigkeit von Kondensatoren ohne langwierige Testzyklen visualisieren und optimieren.

Abbildung 1:

Flussdiagramm zum Digitalisierungsprozess

Abbildung 2:

Beispiele für ESR- und ESL-Kurven, die durch Simulation (virtuelle Charakterisierung) und Messung ermittelt wurden

 

 

 

Was elektromagnetische Modelle leisten

Die elektromagnetische Modellierung ist die Basis des Digitalisierungsprozesses bei TDK. Anders als die thermische Modellierung, die etablierte stationäre Methoden nutzt, braucht die elektromagnetische Simulation fundiertes Wissen über Stromfluss, parasitäre Effekte und Feldverteilung im Bauelement.

Ingenieure bestimmen damit virtuell Impedanz (|Z|), Kapazität (C), Ersatzserienwiderstand (ESR) und Ersatzserieninduktivität (ESL) über alle Frequenzen exakt – ohne Prototyp. Abbildung 2 vergleicht ESR- und ESL-Kurven aus Simulationen und Messungen – die Korrelation ist nahezu perfekt.

Dieser Ansatz berücksichtigt Fertigungstoleranzen und Alterungseffekte. Anwender spielen damit nominale und Worst-Case-Szenarien durch.

Wie Temperatur die Leistung beeinflusst: thermische Modellierung

Die Temperatur beeinflusst die elektrische Leistungsfähigkeit eines Kondensators, vor allem aufgrund des Temperaturkoeffizienten des Widerstands (TCR) der Metallisierungsschichten. Wie sich dicke Metallschichten verhalten, ist gut bekannt. Doch diese Erkenntnisse lassen sich nicht auf dünne Metallisierungsschichten übertragen.

Abbildung 3:

Anstieg der durch den TCR verursachten Verluste unter Berücksichtigung typischer Anwendungsbedingungen (Stromspektren) bei Umgebungstemperaturen bis hin zu typischen Einsatztemperaturen.

TDK charakterisiert den TCR für die verschiedenen Elemente im Kondensator. Virtuelle Modelle bilden damit die temperaturabhängigen Verluste präzise ab. Je nach Anwendung – DC-Link, Filter oder PCB-montiert – variiert der Einfluss des TCR (Abb. 3). Dadurch können Ingenieure die Eigenschaften unter realen Betriebsbedingungen besser abschätzen.

SPICE-Modelle: Physik trifft Simulation

SPICE ist das Standardwerkzeug für Schaltungssimulationen. Für genaue Ergebnisse müssen die Modelle der Bauelemente sehr genau sein. TDKs SPICE-Modelle verbinden mathematische Genauigkeit mit effizienter Berechnung. Sie stellen reale Kondensatoren im Zeit- und Frequenzbereich dar (Abb. 4).

Abbildung 4:

Vereinfachtes Kondensatormodell

Jedes Modell enthält ausreichend passive Elemente, um das tatsächliche Verhalten nachzubilden – ohne gleichzeitig die Simulation zu bremsen. Diese Modelle beschränken sich nicht auf einzelne Bauelemente, sondern es lassen sich komplette DC-Link-Systeme, Leiterplatten-Baugruppen oder kundenspezifische Konfigurationen nachbilden (Abb. 5).

Über die CLARA-Plattform bietet TDK auf seiner Website SPICE-Modelle für alle Standardserien von Folien-Kondensatoren. Auf Anfrage erstellt TDK individuelle Modelle. Kunden simulieren damit das Verhalten der Kondensatoren direkt in ihrem Umrichterdesign.

Abbildung 5:

ESR- und ESL-Kurven bei Messung, Simulation und SPICE-Modellierung

 

 

 

 

Abbildung 6:

Aufbau des analysierten Kondensators (links), ESR- und Stromverlauf über die Frequenz (oben rechts) sowie Ergebnisse der thermischen Simulation bei 10 kHz, 37 kHz und 60 kHz (unten rechts)

Verborgene Wechselwirkungen sichtbar machen

Die elektromagnetische Simulation macht verborgene Wechselwirkungen im Inneren eines Kondensators sichtbar. Ingenieure erkennen damit Phänomene wie Skin-Effekte, ungleichmäßige Impedanz-Verteilung oder interne Resonanzen. Messungen allein machen diese Effekte nur schwer sichtbar.

Abbildung 6 veranschaulicht, wie Resonanzen innerhalb eines zylindrischen Kondensators zu Stromspitzen in einzelnen kapazitiven Elementen führen können, obwohl der Gesamtstrom nach außen hin unverändert bleibt. Solche Erkenntnisse helfen Entwicklern dabei, unerwünschte Resonanzen zu vermeiden und die Zuverlässigkeit des Gesamtsystems zu verbessern.

Thermische Tests und Simulationen validieren

Die thermische Modellierung folgt dem in Abbildung 1 gezeigten Prinzip: erst testen, dann simulieren, schließlich modellieren. Realbedingungen lassen sich nur schwer reproduzieren. Thermische Simulationen sind daher unverzichtbar. Ingenieure analysieren damit Punkte im Inneren eines Bauelements, die von außen nicht zugänglich sind.

In TDKs Capacitor Bank Simulator innerhalb von CLARA werden Daten aus CFD-Simulationen und empirischen Untersuchungen verknüpft, um den Temperaturanstieg von Kondensator-Batterien auf Grundlage von Geometrie, Kühlluftstrom und Missionsprofilen abzuschätzen. Abbildung 7 zeigt ein Beispiel, bei dem das Tool die Temperaturverteilung für fünf parallel geschaltete xEVCap-Kondensatoren ausgibt.

Abbildung 7:

Ergebnis der Simulation von Kondensatorbänken

CapThermal: Schnelle Einblicke ohne Aufwand

Mit CapThermal hat TDK ein vereinfachtes, webbasiertes Tool entwickelt, das schnell Einblicke in thermische Vorgänge liefert. Es emuliert die Ergebnisse einer vollständigen FEA-Simulation. Wenn Benutzer Randbedingungen wie Verluste, Umgebungstemperatur und Kühlung eingeben, erhalten sie umgehend grafische Übersichten über Hotspot- und Oberflächentemperaturen (siehe Abb. 8).

CapThermal macht professionelle thermische Analysen für alle zugänglich. Entwickler können damit den optimalen Kondensator auswählen. Sie untersuchen, wie bessere Kühlung oder optimierte Anordnung die Lebensdauer verlängert.

Abbildung 8:

Beispielhaftes Simulationsergebnis mit CapThermal

Abbildung 9:

Simulation der thermischen Integration

Thermische Integration: Das Gesamtsystem zählt

In Automobilanwendungen und leistungsstarken Systemen kommen Kondensatoren selten isoliert zum Einsatz. Sie teilen sich das Umfeld mit Halbleitern und Kühlsystemen. TDK berücksichtigt dies bei der thermischen Integration und simuliert das gesamte Subsystem als Einheit: DC-Link-Kondensator, Halbleitermodule und Kühlmittelfluss.

Dieser Ansatz zeigt die tatsächlichen Betriebstemperaturen genauer. Er modelliert die Wechselwirkungen zwischen den Bauelementen und den Wärmeaustausch direkt (Abb. 9). Ingenieure können damit das Verhalten von Kondensatoren im Gesamtsystem realistisch einschätzen.

Der Weg zum vollständig digitalen Design

TDK erstellt präzise und validierte digitale Modelle für alle Standardserien von Kondensatoren. Diese Ressourcen sind über die CLARA-Plattform verfügbar: SPICE-Modelle, Simulationen von Kondensatorbänken und CapThermal zur thermischen Simulation.

TDK kombiniert elektromagnetische, SPICE- und thermische Modellierungstechniken. Ingenieure können damit Leistungselektronik intelligenter, schneller und verlässlicher entwickeln. Das Ergebnis: weniger Prototypen, kürzere Entwicklungszyklen und optimierter Einsatz von Kondensatoren – von Industrieantrieben über erneuerbare Energien bis zur Automobil-Leistungselektronik.

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

Referenzen

[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.