온보드 충전기 설계에 이점을 제공하는 C0G MLCC

전기 차량 운전자는 충전 효율 및 열 안정성에 대해 우려할 필요가 없어야 합니다. 이러한 운전자들이 원하는 것은 1회 충전으로 최고 주행 거리를 지원하고 최소한의 유지보수 및 수리를 요구하는 고도의 신뢰성을 갖춘 운송 수단입니다. 제조업체는 가능한 가장 콤팩트한 온보드 충전기(OBC)를 요구합니다. 운전자와 제조업체의 목표를 모두 충족하는 것은 설계적 도전 과제이며, 이를 해결하기 위해 C0G 특성을 갖춘 다층 세라믹 커패시터(MLCC)의 사용이 증가하고 있습니다.

NP0이라고도 하는 C0G는 고도로 안정적인 정전 용량을 가진 클래스 1 유전체 세라믹 커패시터로, 변동이 0에 가깝고 허용 가능한 최대 오차는 ±30ppm/°C입니다. 이 커패시터는 온도, 전압 또는 노화에도 크게 달라지지 않는 뛰어난 작동을 제공하므로 정밀 회로와 안정적 응용 분야(예: EV용 OBC)에 적합합니다 이와 비교하여, 클래스 II MLCC(예: X7R)는 ±15% 드리프트가 발생하며 필름 커패시터는 일반적으로 ±2% 드리프트로 작동합니다.

OBC는 그리드 전력을 효율적으로 안전하게 활용하여 EV 배터리를 충전하는 데 사용되는 고전압 AC/DC 컨버터입니다. C0G MLCC는 전력 변환 및 전자기 간섭(EMI) 필터링에서 고정밀 고안정성 기능에 대해 높이 평가되고 있습니다. 이 MLCC는 LLC 공진 탱크 회로, 전압 과도 스너버 회로, 고주파 EMI 억제 필터, DC 바이어스 민감 제어 회로, 게이트 구동기, 보조 전원 공급 장치에 사용됩니다.

이제는 EV OBC에서 22kW 출력 전력이 일반화됨에 따라, 공진 회로 기능을 위한 커패시터는 콤팩트한 폼 팩터로 더 높은 전력 밀도를 견디기 위해 고전압을 견디고 낮은 손실을 제공해야 합니다. 이는 전반적인 시스템 효율성과 신뢰성을 보장하는 데 중추적 역할을 수행하므로 이런 점에서 C0G MLCC는 매력적인 설계 옵션이 됩니다.

C0G의 이점

C0G 특성을 갖춘 MLCC는 이러한 응용 분야에서 전통적인 필름 커패시터에 비해 중요한 이점이 있습니다. 설계자는 실장 면적의 대폭 감소, 열 생성 억제, 향상된 전송 효율 등의 이점을 활용하여 더 작고 더 강력한 OBC를 구현할 수 있습니다.

OBC 전력 스테이지의 스위칭으로 EMI가 발생하며, 이는 와이드 밴드갭(WBG) 반도체(예: 실리콘 카바이드(SiC) 및 질화 갈륨(GaN)에 의해 더욱 증폭될 수 있습니다. 이러한 물질은 높은 효율로 초고속 스위칭을 실현하지만 급격한 전압 과도 현상을 유발할 수도 있습니다. 이는 일반적으로 고전압 시간 변화율(dv/dt) 현상이라고 하며 50kV/µs를 초과할 수 있습니다. 이는 전통적인 실리콘 MOSFET 설계에서 나타나는 것보다 훨씬 높은 수치입니다.

C0G 특성을 갖춘 MLCC는 내재적으로 안정적이고 비압전적이며 고주파 응력 하에서 열적 또는 전기적 드리프트가 적은 경향이 있습니다. 또한 펄스 처리 및 저 ESL에서 뛰어난 성능을 제공하므로 스너버 회로 및 공통 모드 필터링에 매우 적합합니다.

C0G MLCC는 매우 낮은 손실 계수와 높은 품질(Q)의 정전 용량 특성을 나타냅니다. 이러한 조합을 통해 에너지 손실을 최소화하고 안정적인 공진 동작을 보장하므로 열 응력을 줄이고 전력 밀도를 개선할 수 있습니다. 이 MLCC는 X7R/X5R 계열의 클래스 II 유전체 MLCC보다 뛰어난 전기적 안정성을 제공하며, 압전 잡음이 없고 낮은 손실 계수와 높은 Q 특성을 보장하여 고주파 스위칭 응용 분야에 매우 중요합니다.

스너버 네트워크 및 EMI 필터에서 높은 Q 부품은 정밀한 임피던스 특성을 보장하는 데 도움을 주므로 과도 현상 억제 및 잡음 필터링 효율성을 개선합니다. RF 시스템 및 정밀 아날로그 회로의 경우 높은 Q 특성은 협대역 선택 및 신호 무결성을 지원하여 보다 정확한 필터링 및 주파수 제어를 가능하게 합니다.

필름 커패시터보다 낮은 등가 직렬 저항(ESR)으로 자체 발열이 감소하므로 수명을 연장할 수 있습니다. 또한 부품 수가 감소하므로 C0G MLCC를 사용하면 OBC 응용 제품을 위한 평균 무고장 시간(MTTF)이 증가합니다.

C0G MLCC는 충전 경험, 차량 신뢰성, 구축 품질에 대한 전반적인 인식을 개선함에 따라 EV 구동기 및 소유자에게 영향을 미칩니다. C0G MLCC는 극한 조건에서의 열적 신뢰성, 향상된 에너지 효율성 및 거리 신뢰성, EMI 감소를 통한 원활한 무소음 작동뿐만 아니라, 운전자의 심적 안정에도 기여합니다.

OBC 설계 시 고려 사항

안정성, 낮은 손실, 콤팩트한 크기의 고유한 조합을 갖춘 C0G MLCC는 고속 및 고정밀 회로에 이상적입니다. 그러나 설계자가 C0G MLCC, X7R MLCC 또는 필름 커패시터를 사용할지 결정할 때 평가해야 할 장단점이 있습니다.

필름 커패시터는 고전압 및 에너지 저장을 위한 높은 정전 용량을 제공하지만 비용이 많이 들거나 부피가 큰 옵션이 대부분입니다(그림 1). X7R MLCC는 필름 커패시터에 비해 콤팩트하고 비용 효율성이 우수하지만 DC 바이어스 시 정전 용량에 큰 영향을 미칠 수 있으므로 전압 안정성을 위한 부하 경감이 필요합니다.

그림 1: 일반적인 600V 필름 커패시터(왼쪽)와 3225 패키지, 고전압 C0G MLCC의 크기 비교(이미지 출처: TDK Corporation)

C0G MLCC는 X7R보다 가격이 약간 높지만 부하 경감 없이도 우수한 안정성과 성능을 보장합니다. 이러한 비용 차이는 전체 부품 수의 감소를 통해 부분적으로 상쇄될 수 있으며, 이로 인해 총 재료 비용이 감소합니다.

EV OBC나 기타 전력에 민감한 자동 시스템에서 C0G MLCC로 설계할 경우, 부품 선택에 신중해야 합니다. 벤더 간 사양은 비슷할 수 있지만 ESR, ESL, 구성에서의 차이로 인해 회로 조정에 영향을 줄 수 있습니다. 여러 벤더들의 부품을 가볍게 혼용해서는 안 되며 벤치 테스트 또는 시뮬레이션을 통해 선택 부품을 검증해야 합니다.

C0G MLCC는 여러 응용 분야(예: OBC 및 기타 중요 응용 분야를 위해 효율적인 고성능 전력 변환을 제공하는 공진 회로)에서 필름 커패시터 및 X7R MLCC를 대체하고 있습니다. 고도의 안정성 및 소형화와 높은 전압을 결합한 이 부품은 매력적인 설계 옵션입니다.

TDK의 고 정전 용량 C0G MLCC

2025년, TDK Corporation은 자사의 CGA(자동차용) 계열 및 C(상업용 및 산업용) 계열의 표면 실장 C0G MLCC를 10nF(나노패럿)으로 확장했습니다. 10nF는 1,250V 정격 제품에 대해 업계에서 가장 높은 정전 용량으로 여겨지고 있습니다. 이 제품은 3225(3.2mm x 2.5mm x 2.5mm) 케이스로 제공됩니다. 이에 비해 TDK의 고전압 X7R 부품은 크기가 더 크며 최대 630V까지만 지원합니다.

C3225 및 CGA6P C0G 제품 라인은 고전압 저항을 제공하기 위해 최적화된 제품 및 프로세스 설계를 활용합니다. 이 제품 라인은 3225 폼 팩터를 공유하므로 설계자는 직렬로 실장되는 MLCC의 물리적 크기와 수를 줄일 수 있습니다(그림 2).

그림 2: 필름 커패시터, 저전압 MLCC, 고전압 MLCC를 사용 시 유사한 커패시터 뱅크에 필요한 실장 면적 비교(이미지 출처: TDK Corporation)

대안 제품과 비교할 때 TDK C0G MLCC는 열 발생을 줄이는 데 최적화되어 있어 수명이 연장되고 신뢰성이 향상됩니다. 이 MLCC는 자동차 및 상업 응용 분야의 공진 및 스너버 회로, DC/DC 컨버터, 무선 충전 응용 제품에 매우 적합합니다.

TDK 부품의 콤팩트한 크기 덕분에 설계자는 차세대 자동차를 위한 더 작고 더 효율적인 AEC-2000 호환 응용 제품을 제공할 수 있습니다. TDK 부품은 -55°C ~ 125°C의 온도 범위를 통해 열 충격, 진동, 온도 순환을 비롯한 열악한 환경에서 신뢰할 수 있는 성능을 보장합니다.

CGA6P1C0G3B103G250AC 자동차용 MLCC는 10nF의 정전 용량(±2% 허용 오차)를 제공합니다. C0G 유전체는 온도 변화에 대해 뛰어난 안정성을 제공하며 엔진실의 극심한 온도 및 진동을 견딜 수 있습니다. 이는 EV 충전 시스템 및 전력 전자 기기에서 사용되는 것과 같은 고전압 공진 및 스너버 회로에 특히 유용합니다. CGA6P1C0G3B103J250AC는 동일한 정전 용량을 제공하지만 허용 오차가 ±5%입니다.

C3225 부품은 동일한 패키지와 온도 범위 특성을 제공하지만 비용이 저렴하며 규제가 덜한 일반적인 상업 및 산업 환경에 대해 설계되었습니다. CGA6 라인의 MLCC처럼, C3225C0G3B103G250AC는 동일한 3225 패키지로 10nF 정전 용량(±2% 정전 용량 허용 오차) 및 1,250V의 높은 정격 전압을 제공하므로 정밀 응용 분야에 적합합니다. C3225C0G3B103J250AC는 10nF의 정전 용량(±5% 허용 오차)을 제공합니다.

결론

C0G MLCC를 사용하여 설계자는 차세대 전력 및 자동차 시스템에서 대형 필름 또는 전해 커패시터를 안심하고 대체하고, 기판 레이아웃을 간소화하며 시스템 신뢰성을 개선할 수 있습니다. TDK의 상업용 C3225 및 자동차용 CGA6P C0G MLCC는 뛰어난 안전성을 위한 콤팩트한 패키지에 업계 최고의 정전 용량을 제공하므로 고전압, 고신뢰성이 요구되는 응용 분야를 위한 매력적인 옵션입니다.