효율적이고 신뢰할 수 있으며 지속 가능한 EV 충전기를 보장하기 위해 커패시터를 선택하고 적용하는 방법

전기 차량(EV)을 위한 충전기는 다양한 전압 및 전력 레벨로 제공되지만 모두 커패시터에 의존하여 DC 입력 필터링, DC 링크, AC 고조파 필터링, DC 출력 필터링 같은 기능을 수행하며 일부 설계에서는 슈퍼 커패시터가 배터리 에너지 스토리지 및 태양광 인버터와 함께 결합하여 사용됩니다. EV 충전기는 실외 또는 다른 열악한 환경에서 사용되는 경우가 많기 때문에 설계자는 먼저 커패시터 성능 프로파일을 결정한 다음 까다로운 신뢰성 특성을 충족하는 적절한 커패시터 유형을 선택해야 합니다.

설계자는 커패시터가 넓은 작동 온도 정격 및 긴 작동 수명으로 물리적으로 견고하도록 해야 합니다. 커패시터는 콤팩트해야 하고 과열이나 성능 저하 없이 높은 리플 전류를 처리할 수 있어야 하며 AEC-Q200의 전기 및 기계 요구 사항과 IEC(국제 전기 표준 위원회) 61071의 성능 요구 사항을 충족해야 합니다. 일부는 ANSI/IEEE 표준 18을 충족해야 합니다.

이러한 회로 응용 제품의 다양한 요구 사항을 충족하기 위해 설계자는 전력 필름 커패시터, 알루미늄 전해 커패시터, 슈퍼 커패시터(저 유도용량 설계 포함), 높은 리플 전류 정격, 높은 작동 온도, 자체 복구 기능, IEC 61071을 충족하는 AEC-Q200 인증을 가진 커패시터, 낮은 등가 직렬 저항(ESR)의 슈퍼 커패시터와 같은 다양한 커패시터 기술로 전환할 수 있습니다

이 기사에서는 다양한 충전 레벨을 정의하고 이러한 레벨을 기반으로 하는 태양광 전력 인버터의 커패시터에 대한 회로 응용 참고 사항을 검토합니다. 그런 다음 다양한 EV 충전기 설계에 적합한 Cornell Dubilier Electronics의 입력 필터링, 전력 필름 DC 링크, AC 고조파 필터링, 출력 필터링 커패시터 및 슈퍼 커패시터의 예와 함께 성공적인 설계를 보장하기 위해 이러한 커패시터를 인쇄 회로 기판(pc 기판)에 통합하거나, 버스바에 연결하거나 IGBT(절연 게이트 양극 트랜지스터) 모듈에 직접 연결하는 패키지 옵션을 소개합니다.

EV 충전 레벨 및 요구 사항

다음과 같은 세 가지 EV 충전 레벨이 있습니다. 레벨 1 주거용 충전은 120볼트의 교류(V_AC) 전력을 제공합니다. 레벨 2 주거 및 공용 충전은 208/240V_AC 전력을 제공합니다. 레벨 3 상용 및 공용 충전기는 DC 고속 충전 및 과급 충전을 위한 400볼트 ~ 900볼트 직류(V_DC) 전력을 제공합니다. 일부 레벨 1 및 레벨 2 충전기는 태양광 인버터 및 배터리 에너지 스토리지를 기반으로 합니다.

점점 더 보편화되가는 태양광 전력 레벨 1 및 레벨 2 충전기에는 직류-직류(DC-DC) 컨버터 및 직류-교류(DC-AC) 인버터가 포함되어 있습니다. 이러한 충전기는 그림 1에 표시된 유형을 포함하여, AEC-Q200 및 IEC 61071 표준을 충족하는 열악한 전기 조건에서 사용하도록 설계된 다양한 고성능 커패시터를 필요로 합니다.

• DC 입력 필터 및 DC 링크 커패시터: 이 충전기는 중간 전력 응용 제품에 최적화된 저 유도용량 DC 입력 필터 및 DC 링크 커패시터를 필요로 합니다. 최대 1F(패럿) 이상의 값과 낮은 ESR(등가 직렬 저항)을 갖는 커패시터를 사용함으로써 내부 발열을 최소화할 수 있습니다.
• AC 출력 필터 커패시터: IGBT 기반 스위치 모드 전력 인버터는 AC 출력 필터 커패시터를 사용하여 필터링할 수 있는 높은 고조파 성분과 THD(총 고조파 왜곡)를 생성할 수 있습니다. 적절하게 필터링되지 않을 경우 고조파는 출력 AC 파형을 왜곡할 수 있습니다.
• 슈퍼 커패시터: 슈퍼 커패시터를 추가하면 레벨 1 및 레벨 2 태양광 충전기에서 시스템이 일사량 변화에 맞게 조정하는 데 특히 유용할 수 있습니다. 구름이 상대적으로 작은 태양광 패널을 방해하여 출력 전력의 피크 및 밸리를 제공하기 때문입니다. 이러한 시스템에서 피크 전력 및 평균 전력 사이의 비율은 배터리 전용 시스템에 도전할 수 있습니다. 슈퍼 커패시터와 배터리를 조합하면 더 높은 전력 밀도의 시스템을 생성할 수 있습니다.

그림 1: 태양광 인버터 EV 충전기에는 다양한 커패시터 및 슈퍼 커패시터가 필요합니다. (이미지 출처: Cornell Dubilier Electronics)

커패시터는 AC-DC 전력 변환을 사용하는 레벨 3 DC 고속 충전기의 설계에서도 중요합니다. 레벨 1 및 레벨 2 충전기처럼 DC 고속 충전기도 DC 링크 커패시터를 필요로 합니다. DC 고속 충전기의 DC 링크 커패시터는 고전력 장치이며 대개 전압 정격이 더 높습니다. 또한, 레벨 3 충전기는 AC 입력 필터 커패시터 및 DC 출력 필터 커패시터를 필요로 합니다(그림 2).

• AC 입력 필터 커패시터: 더 높은 전력 레벨을 지원하기 위해 이러한 커패시터는 더 낮은 전력 처리를 위해 설계된 장치와 비교하여 종종 다르게 패키징됩니다. 예를 들어, 레벨 1 및 레벨 2 충전기의 저전력 필터링 커패시터는 pc 기판 또는 납땜 가능 핀에 빠르게 연결하기 위한 스냅인 종단을 갖추고 있지만 레벨 3 DC 고속 충전기에 사용되는 커패시터는 고전력 버스바에 직접 연결되는 나사 단자를 가집니다. 레벨 3 충전기용 입력 커패시터는 ANSI/IEEE 표준 18을 충족하는 데 필요할 수 있습니다.
• DC 출력 필터 커패시터: 이 커패시터는 레벨 1 및 레벨 2 태양광 충전기의 AC 고조파 필터 커패시터와 유사한 기능을 수행합니다. 이 커패시터는 과도 상태를 흡수하고 충전기의 DC-DC IGBT 스위칭 단계에서 생성된 고조파 전류를 필터링하여 출력 전압을 평활화합니다. 이 커패시터는 낮은 ESR과 높은 리플 전류 기능을 통합해야 합니다.

그림 2: 그리드 전력 레벨 3 DC 충전기는 높은 전류와 전압을 처리할 수 있는 부품을 필요로 합니다. (이미지 출처: Cornell Dubilier Electronics)

레벨 1 및 레벨 2 PV EV 충전기용 커패시터

DC 입력 필터링: Cornell Dubilier는 설계자에게 레벨 1 및 레벨 2 EV 충전기에 대한 DC 입력 필터링을 위한 여러 알루미늄 전해 커패시터 옵션을 제공합니다. 여기에는 DCMC 나사 단자 커패시터, 380LX/382LX +85°C 및 381LX/383LX +105°C 스냅인 커패시터가 포함됩니다(그림 3). DCMC 커패시터는 110µF ~ 2.7F의 범위, 최대 550볼트의 전압, -40°C ~ +85°C의 작동 온도 범위를 제공하며 높은 수준의 리플 전류를 처리할 수 있습니다. 유형 380LX 커패시터는 +85°C 및 최대 부하를 기준으로 3,000시간의 부하 수명을 제공하고 381XL 커패시터는 +105°C 및 최대 부하를 기준으 3,000시간의 부하 수명을 제공합니다. 380LX/382LX 및 381LX/383LX 커패시터는 pc 기판에 대한 안전하고 정확한 실장을 지원하기 위해 2핀, 4핀, 5핀 스타일로 제공됩니다.

그림 3: 381LX 및 관련 커패시터는 스냅인 pc 기판 연결을 제공합니다. (이미지 출처: Cornell Dubilier Electronics)

DC 링크: DC 링크의 경우 설계자는 유형 550C 알루미늄 전해 커패시터(예:550C562T400DP2B) 및 947D 계열 금속화 필름 커패시터(예: 947D601K901DCRSN) 중에서 선택할 수 있습니다. 550C 계열은 일반적인 응용 분야의 경우 100,000시간 이상의 작동 수명을 제공하고 +85°C 작동 시 최대 20,000시간의 작동 수명을 제공합니다. 550C 커패시터는 최저 7밀리옴(mΩ)의 ESR을 제공하며 pc 기판 또는 버스바에 연결하기 위한 나사 단자를 가집니다. 또한 높은 리플 전류를 처리할 수 있습니다.

947D 계열은 인버터 설계에 필요한 높은 정전용량과 매우 높은 리플 전류 성능을 결합합니다. 이러한 커패시터는 900VDC ~ 1,300VDC의 전압 정격으로 제공됩니다. +85°C 기준 7,000시간의 작동 시간에 대해 정격화되었으며 +60°C 중심 온도 및 최대 정격 전압에서 350,000시간의 기대 수명을 제공합니다.

AC 출력 고조파 필터링: 열악한 환경에서 AC 출력 고조파 필터링을 제공하기 위해 설계자는 AEC-Q200 인증 유형 ALH 계열 AC 필터 커패시터를 사용할 수 있습니다. 표준 커패시터와 비교할 때 이 커패시터는 가속화된 85/85 온도 습도 바이어스(THB) 테스트에 기반하여 수명이 50% 향상되었습니다. 높은 제곱 평균 제곱근(RMS) 전류 정격을 가지므로 고주파 IGBT 기반 인버터에서 더 높은 차수의 고조파를 처리하는 데 적합합니다. 정전용량 범위는 0.22µF ~ 50µF(마이크로패럿)(160VAC ~ 450VAC, 50/60Hz(헤르츠) 기준)입니다. 이러한 자기 회복, 금속화 폴리프로필렌 필름 커패시터는 견고한 기판 실장 패키지로 제공되며(그림 4) -40°C ~ +105°C의 작동 온도 범위를 가집니다. ALH 계열 커패시터는 100,000시간의 기대 수명(정격 전압 기준)과 +70°C의 핫스폿 온도를 제공합니다.

그림 4: ALH 계열 AC 필터 커패시터는 열악한 환경에서 AC 고조파 출력 필터링을 제공하며 pc 기판에 대한 스루홀 실장을 위해 설계되었습니다. (이미지 출처: Cornell Dubilier Electronics)

슈퍼 커패시터: 슈퍼 커패시터가 제공할 수 있는 즉각적인 전력 버스트를 필요로 하는 설계를 위해 Cornell Dubilier는 DGH 계열 및 DSF 계열을 제공합니다. DGH 계열은 정전용량 범위 0.5F ~ 600F에서 다양한 21개의 값/전압 조합을 포함하며 2.7WVDC ~ 5.5WVDC(WV_DC)의 전압 정격을 제공합니다. DSF 슈퍼 커패시터는 단일 부품에 대해 더 높은 3.0WV_DC, 이중 장치에 대해 6.0WV_DC를 제공합니다. 이렇게 전압 사양이 높아짐에 따라 에너지 밀도가 24% 증가합니다. DSF 계열은 1.5F ~ 600F 정전용량 범위에서 다양한 17개 값/전압 조합을 포함합니다. 두 계열 모두 500,000주기에 대해 정격화되었습니다. pc 기판에 통합할 수 있도록 스루홀 리드 또는 스냅인 리드로 제공됩니다.

그림 5: DSF 슈퍼 커패시터는 이중 및 단일 장치로 제공됩니다. (이미지 출처: Cornell Dubilier Electronics)

레벨 3 충전기를 위한 커패시터

AC 입력 및 고조파 필터링: 레벨 3 DC 충전기에서 지원하는 고전력 수준의 경우 설계자는 PFCHX48D20S108T(76.8µF 및 480V_AC 정격이며 AC 입력 고조파 필터링을 위해 설계됨)와 같은 PFCH 계열 3상 직렬 커패시터를 사용할 수 있습니다. 이러한 커패시터는 델타 구성으로 연결되고 원통형 알루미늄 케이스에 밀봉된 3개의 자기 회복 금속화 폴리프로필렌 권선으로 이루어져 있습니다. 94%의 생존율 및 300 X 10⁹ 부품 시간 이하의 FIT 정격에서 60,000시간의 수명 정격을 가집니다. 여기에는 커패시터 수명 종료 또는 과부하 시 모든 3개 위상을 분리하는 압력 단속기가 포함되어 있습니다. ANSI/IEEE 표준 18을 충족하며 UL 810에 따라 10kA(킬로암페어)의 최대 단락 전류 정격을 제공합니다.

DC 연결: DC 연결 커패시터 옵션에는 pc 기판 실장용으로 설계된 BLH DC 링크 커패시터(+85°C/85% 상대 습도, 정격 전압 인가 상태에서 1,500시간 동안 테스트됨)와 DC 연결 및 필터링을 제공하기 위해 IGBT 모듈에 직접 실장할 수 있도록 설계된 474 계열(0.47µF, 1.2kV_DC) 474PMB122KSP2 필름 커패시터가 포함됩니다.

BLH 커패시터는 -40°C ~ +105°C의 작동(+85°C보다 높은 온도에서 1.35%/°C의 비율로 정격 전압 감소)에 대해 정격화되었으며 IEC 61071 및 AEC- Q200의 요구 사항을 충족합니다. 474 계열(예: 474PMB122KSP2) 커패시터는 -40°C ~ +100°C에서의 작동에 대해 정격화되었으며 +85°C보다 높을 경우 DC 전압은 1.5%/°C의 비율로 감소하고 AC 전압은 2.5%/°C의 비율로 감소합니다.

DC 출력 필터링: 944U 계열 고전류 필름 커패시터에는 33µF ~ 220µF의 정전용량 정격 및 최대 75A(+55°C 기준)의 RMS 전류 정격에서 800/1000/1200/1400V_DC에 대해 정격화된 장치가 포함됩니다. 높은 리플 성능은 이러한 금속화 폴리프로필렌 커패시터의 저 유도용량 내부 구조의 결과입니다. 이 커패시터는 베이스의 실장 플랜지와 M8 나선형 스터드 단자를 갖춘 저높이 UL94V0 방염 케이스(84.5mm 지름)에 패키징되어 있습니다(그림 6). 정격에 따라 케이스 높이는 40mm, 51mm 또는 64mm입니다.

그림 6: 944U 필름 커패시터의 나사 연결은 pc 기판 또는 버스바 연결에 사용될 수 있습니다. (이미지 출처: Cornell Dubilier Electronics)

결론

위에서 설명한 바와 같이 EV 충전기에는 신뢰할 수 있고 효율적인 작동을 보장할 수 있는 다양한 커패시터 유형이 필요합니다. Cornell Dubilier는 레벨 1, 2, 3 응용 분야를 위한 고성능 충전기의 설계 및 구성을 지원할 수 있는 다양한 커패시터 유형 및 실장 스타일을 제공합니다.