응용 분야에 적합한 커패시터 기술 선택

응용 분야에 적합한 커패시터를 선택하면 방위, 항공 우주, 의료 기술, 중요 에너지 인프라 또는 고속 EV 충전기용 전원 공급 장치와 같은 제품의 성능, 안정성, 효율성을 크게 향상시킬 수 있습니다.

커패시터는 많은 전자 회로에서 전기 에너지를 저장 및 방출하고, 원치 않는 신호를 걸러내며, 기타 다양한 기능을 수행하는 중요한 부품입니다. 하지만 모든 커패시터가 똑같이 만들어지는 것은 아니며 커패시터의 유형에 따라 특성, 장점, 제한 사항이 다릅니다.

따라서 제품 설계 시 올바른 커패시터 유형을 선택해야 합니다. 일반적인 세 가지 옵션은(다층 세라믹 커패시터(MLCC), 필름 커패시터, 알루미늄 전해 커패시터)은 고유한 장단점을 제공하며 각 카테고리에는 무수히 많은 변형이 있습니다. 올바른 유형을 선택하면 최종 제품이 충분한 에너지 저장 공간을 갖고 이용 가능한 공간에 딱 맞으며 의도한 용도에 맞게 안정적으로 작동할 수 있습니다.

MLCC

MLCC는 세라믹 유전체와 금속 전극을 번갈아 쌓고 소결하여 콤팩트한 패키지를 형성합니다. MLCC는 많은 전자 장치에 널리 사용되며 작은 크기와 높은 정전 용량 값, 낮은 등가 직렬 저항(ESR), 낮은 누설 전류, 우수한 고주파 응답 및 온도 안정성을 제공합니다.

MLCC는 높은 출력 밀도, 고효율, 저잡음, 높은 신뢰성이 필요한 응용 분야에 적합합니다. 하지만 이 카테고리에는 성공적인 제품을 개발하는 데 있어 차이를 구현할 수 있는 다양한 변형이 있습니다.

• 고신뢰성 MLCC: 열악한 조건에서도 높은 신뢰성, 낮은 고장률, 긴 수명, 우수한 성능을 제공합니다. 이러한 특성은 MIL-PRF-55681, MIL-PRF-123, MIL-PRF-49470, MIL-PRF-39014에 따른 사양을 비롯하여 항공 우주, 방위와 같은 산업과 의료 응용 분야의 엄격한 요구 사항을 충족하는 데 중요합니다.
• 고전압 MLCC: 500V ~ 12kV의 전압에서 작동합니다. 전원 공급 장치, 펄스 생성기, X선 장비와 같이 높은 전압 분리가 필요한 응용 분야를 위해 설계되었습니다. 높은 정전 용량, 낮은 ESR, 낮은 열발산 상수, 높은 항복 전압을 지원합니다.
• 고온 MLCC: 125°C ~ +250°C의 온도에서 작동합니다. 다운 홀 드릴링, 자동차, 산업 등 고온 안정성이 요구되는 응용 분야를 위해 설계되었습니다. 높은 정전 용량, 낮은 ESR, 낮은 온도 계수, 높은 열 충격 저항을 제공합니다.

필름 커패시터의 장점

필름 커패시터는 전력 변환, 필터링, 스너빙, 커플링과 같이 고전력, 고전류, 고전압, 고주파가 필요한 응용 분야에 적합합니다. 필름 커패시터는 폴리에스테르, 폴리프로필렌, 폴리카보네이트, 황화 폴리페닐렌과 같은 유전체 박막이 두 금속 전극 사이에 끼워져 원통형으로 감기거나 평평하게 쌓인 모양으로 구성됩니다.

필름 커패시터는 대체로 MLCC보다 크고 비싸지만, 정전 용량 및 정격 전압이 높고 ESR과 열발산 상수가 낮으며 고주파 응답이 우수하고 수명이 깁니다. 이 기술의 장점에는 높은 정격 전압, 전압 및 온도에 따른 선형 정전 용량 변경, 압전 잡음 없음, 자체 복구 기능, 긴 수명 등이 포함됩니다.

응용 분야에 적합한 필름 커패시터에는 여러 종류가 있으며, 이는 응용 분야에 영향을 줄 수 있습니다.

• 금속 폴리에스테르 필름 커패시터는 폴리에스테르 필름에 증착된 알루미늄 또는 아연과 같은 금속 박막을 전극으로 사용합니다. 높은 정전 용량, 낮은 ESR, 저비용, 우수한 자체 복구 속성을 제공합니다. 바이패스, 커플링, 감결합과 같은 범용 응용 분야의 요구 사항을 충족합니다.
• 금속 폴리프로필렌 필름 커패시터는 알루미늄 또는 아연과 같은 금속 박막이 있는 폴리프로필렌 필름을 전극으로 사용합니다. 높은 정전 용량, 낮은 ESR, 낮은 열발산 상수, 뛰어난 고주파 응답, 높은 안정성이 특징입니다. 역률 보정, 필터링, 스너빙과 같은 고성능 응용 분야에 적합합니다.
• 폴리카보네이트 필름 커패시터는 폴리카보네이트 필름을 유전체로 사용합니다. 높은 정전 용량, 높은 정격 전압, 낮은 온도 계수, 높은 신뢰성을 제공합니다. 타이밍, 감지, 정밀 회로 등 고온 안정성이 요구되는 응용 분야에 적합합니다.
• 황화 폴리페닐렌 필름 커패시터는 황화 폴리페닐렌 필름을 유전체로 사용합니다. 높은 정전 용량, 높은 정격 온도, 낮은 ESR, 낮은 열발산 상수 및 고주파 응답을 제공합니다. 적합한 응용 분야에는 자동차, 산업, 통신 등 고온 성능이 요구되는 응용 분야가 있습니다.
• 금속 종이 필름 커패시터는 금속 종이 필름을 유전체로 사용합니다. 높은 정전 용량, 높은 정격 전압, 낮은 ESR, 낮은 열발산 상수, 높은 자체 복구 속성을 제공합니다. 전원 공급 장치, 펄스 생성기, X선 장비와 같이 높은 전압 분리가 필요한 응용 분야에 적합합니다.

알루미늄 전해 커패시터

알루미늄 전해 커패시터는 평활화, 필터링, 에너지 저장 등 높은 정전 용량, 고전압 및 저주파가 요구되는 응용 분야에 적합합니다.

알루미늄 전해 커패시터는 크기에 비해 많은 양의 전기 에너지를 저장할 수 있으므로 전자 장치에 전원을 원활하게 공급할 수 있습니다. 이 커패시터는 MLCC 및 필름 커패시터에 비해 수명이 짧을 수 있으며, 양극 및 음극 단자로 분극되어 있어 반대 방향으로 설치할 경우 손상될 수 있습니다. 또한 소량의 전류가 지속적으로 누설될 수 있으며 대체 옵션에 비해 고주파에서 안정적이지 않습니다.

알루미늄 전해 커패시터는 성능, 안정성 및 신뢰성 특성이 서로 다른 다양한 전해 유형(예: 액체, 고체, 하이브리드)으로 제공됩니다.

• 액체 알루미늄 전해 커패시터는 액체 전해 솔루션을 음극으로 사용합니다. 높은 정전 용량, 높은 정격 전압, 저비용 특성을 제공합니다. 하지만 ESR, 누설 전류 및 열발산 상수가 높고 수명이 제한적입니다. 평활화, 필터링, 에너지 저장 등 범용 응용 분야에 적합합니다.
• 고체 알루미늄 전해 커패시터는 이산화망간 또는 전도성 폴리머와 같은 고체 전해질을 음극에 사용합니다. 낮은 ESR, 낮은 누설 전류, 낮은 열발산 상수, 긴 수명 특성을 제공합니다. 하지만 액체 전해 커패시터보다 정전 용량과 정격 전압은 낮고 비용은 더 높습니다. 스위칭 전원 공급 장치, LED 구동기, 오디오 증폭기 등 고성능 응용 분야에 적합합니다.
• 하이브리드 알루미늄 전해 커패시터는 액체 전해질과 고체 전해질을 조합하여 음극으로 사용합니다. 정전 용량, 정격 전압, ESR, 누설 전류, 열발산 상수 및 수명이 균형을 이룹니다. 자동차, 산업, 통신 등 높은 출력 밀도, 높은 신뢰성 및 고온 성능이 요구되는 응용 분야에 적합합니다.

제조업체 인수를 통해 커패시터 포트폴리오 확장

Knowles 및 Cornell Dubilier Electronics(CDE)는 다양한 커패시터 기술과 제품을 제공하는 선도적인 두 커패시터 제조업체입니다. 2023년 Knowles는 CDE를 인수하고, CDE의 필름 커패시터 및 알루미늄 전해 커패시터와 Knowles Precision Devices의 필름 및 MLCC를 포함하여 두 회사의 상호 보완적인 강점을 결합했습니다.

Knowles는 정전 용량이 1pF 미만 ~ 수백 μF이고 정격 전압이 6.3V ~ 12kV인 표준 표면 실장 패키지와 리본 또는 방사형 리드 패키지의 포괄적인 MLCC 포트폴리오를 제공합니다. Knowles MLCC는 온도 계수, 유전체 상수, 에이징 속도가 다른 다양한 유전체로 제공됩니다.

Knowles의 FlexiCap™ 제조 방식은 일반적인 니켈 장벽 마감 아래에 유연한 독점 에폭시 폴리머 종단 재료를 적용하여 기존 커패시터보다 기판 굽힘 수용력이 우수합니다. 예를 들어 StackiCap™ 제품군은 8060 케이스 크기의 표준 150nF 칩을 훨씬 작은 3640 케이스 크기로 제공하는 등 기판 공간을 확보하기 힘든 경우에 PCB 공간을 크게 줄이면서 동일한 정전 용량 값을 제공할 수 있습니다.

Knowles Syfer 2220Y5000564KXT(그림 1)는 ±10%의 허용 오차 범위로 0.56µF의 전하를 저장할 수 있고 최대 500V를 처리하도록 설계된 FlexiCap 표면 실장 MLCC입니다. 이 제품은 정전 용량 범위가 0.2pF ~ 22µF이고, 케이스 크기가 0402 ~ 8060인 DC 정격 MLCC 제품군의 일부입니다.

그림 1: Knowles Syfer 2220Y5000564KXT를 보여줍니다. (이미지 출처: Knowles)

Knowles Syfer 2220Y6300105KETWS2(그림 2)는 ±10%의 허용 오차 범위로 1µF의 전하를 저장할 수 있고 정격 전압이 630V인 StackiCap MLCC입니다.

그림 2: Knowles Sifer 2220Y6300105KETWS2 및 유사한 MLCC를 위한 StackiCap 패키지를 보여줍니다. (이미지 출처: Knowles)

Knowles CDE는 제세동기 및 의료 영상부터 레이더 시스템 및 대형 데이터 시스템용 UPS 전원 백업까지 중요한 응용 분야에 사용할 수 있는 다양한 표준 및 맞춤형 나사 단자, 스냅인, 기판 실장 커패시터를 제공합니다.

CDE의 477XMPL002MG19R은 더 엄격한 전압 및/또는 정전 용량 요구 사항을 충족해야 하는 응용 분야를 위한 XMPL 폴리머 칩 커패시터 계열의 일부입니다. 낮은 ESR과 안정적인 리플 전류 정격으로, 더 큰 크기의 표면 실장 전해질보다 성능이 우수하며, 수명이 더 길고 온도 변화에 대한 안정성이 뛰어나며 고주파수에서 낮은 ESR을 제공합니다. 이제 계열의 표준 정전 용량 값 범위는 6.8µF ~ 470µF이며 최대 작동 전압은 7.3mm x 4.3mm x 1.9mm 크기의 성형 패키지에서 35V_DC입니다.

광범위한 필름 커패시터 중에서 FCA0805C104M-J2와 같은 CDE의 Type FCA 아크릴 필름 커패시터는 표준 표면 실장 케이스 크기에서 높은 정전 용량 값을 제공합니다. 이 계열은 0.10µF ~ 1.0µF의 정전 용량 범위를 제공하며 오디오 회로의 커플링 커패시터로서 왜곡 없는 사운드와 고주파 필터링을 구현할 수 있습니다.

결론

커패시터는 중요한 전자 부품이며, 올바른 커패시터를 선택하는 것은 제품 설계에 매우 중요합니다. 다행히 Knowles 및 Cornell Dubilier Electronics는 다양한 변형의 광범위한 일반 커패시터 유형은 물론 특정 응용 분야를 위해 설계된 특수 유형도 제공합니다.