세라믹 커패시터를 활용하여 출력 밀도 및 변환 효율 강화

사물 인터넷(IoT)을 위한 데이터 서버부터 전기 자동차(EV)까지 전력 시스템 설계자는 출력 밀도와 변환 효율을 높여야 한다는 지속적인 압박에 시달리고 있습니다. 이를 향상하기 위해 주로 반도체 스위칭 장치에 초점이 맞추어지고 있지만, 다층 세라믹 커패시터(MLCC)야말로 고유의 특성으로 인해 설계자가 설계 요구 사항을 충족하는 데 중요한 역할을 할 수도 있습니다. 이 특성에는 저손실, 고전압 및 리플 전류 처리 기능, 고전압 내성, 극한 작동 온도에 대한 높은 안정성이 포함됩니다.

이 기사에서는 MLCC의 구조에 대해 설명하고 세라믹 커패시터가 고속 스위칭 반도체를 보완하면서 DC 및 AC 레일에서 전력 처리를 강화하는 방법을 알아봅니다. 또한 클래스 I 및 클래스 II 유전체에 대해 살펴보고 해당 유전체를 활용하여 스너버, 공진 컨버터와 같은 전력 시스템에 적합하게 MLCC를 소형화할 수 있는 방법을 알아봅니다.

MLCC의 구성

MLCC는 세라믹 유전체와 금속 전극의 교차 계층에서 구축된 모놀리식 장치입니다(그림 1). MLCC의 래미네이트 계층은 높은 온도에서 구성되어 소결되고 용적 측정에 효과적인 정전 용량 장치를 생성합니다. 그런 다음 전도성 종단 장벽 시스템을 장치의 노출된 쪽에 내장하여 연결을 완료합니다.

그림 1: 세라믹 유전체는 온도 안정성과 유전체 상수에 따라 분류됩니다. (이미지 출처: KEMET)

뛰어난 용량 효율을 제공하는 무극 장치인 세라믹은 작은 패키지 크기에서 높은 정전 용량을 제공할 수 있습니다. 뿐만 아니라 고주파 작동에서 더 안정적입니다. 따라서 세라믹을 사용하여 MLCC에서 유전체, 종단 시스템, 폼 팩터, 스크린을 올바르게 조합할 수 있습니다.

하지만 다양한 문제로 인해 출력 밀도가 높은 응용 분야에서 세라믹 커패시터를 선택할 경우 설계자의 입장에서 실사를 해야 합니다. 먼저, 작동 온도, 인가된 DC 바이어스 및 마지막 가열 후 경과 시간이 정전 용량에 영향을 줄 수 있습니다. 예를 들어 마지막 가열 후 경과 시간에 따라 정전 용량이 변동되어 커패시터 노화로 이어질 수 있습니다(그림 2).

그림 2: 시간에 따른 정전 용량의 노화 속도 비율(%) (이미지 출처: KEMET)

더욱이 모든 커패시터에는 약간의 임피던스와 자체 유도 용량이 있으므로 빠르게 전환되는 IGBT 또는 MOSFET 반도체 장치에서 생성되는 리플이 성능에 영향을 줄 수 있습니다. 따라서 간헐적으로 많은 전류를 소비하여 높은 리플 전류 허용 오차 범위가 필요한 인버터와 같은 장치로 커패시터의 변동을 제한해야 합니다.

또한 주어진 주파수와 온도에서 지정된 총 내부 저항을 나타내는 중요한 특성인 커패시터의 유효 직렬 저항(ESR)이 있습니다. 설계자는 ESR을 최소화하여 발열로 인한 전력 손실을 줄입니다.

낮은 유효 직렬 유도 용량(ESL)은 작동 주파수 범위를 늘리고 세라믹 커패시터를 소형화할 수 있도록 해줍니다. 이와 함께 낮은 ESR과 낮은 ESL은 커패시터의 전력 처리 기능을 강화하고 장치 기생 용량을 최소화합니다. 또한 손실을 줄여서 커패시터가 높은 리플 전류 레벨에서 작동할 수 있게 해줍니다.

다른 중요한 설계 고려 사항에는 유전체 선택이 있습니다. 여기서는 온도에 따른 정전 용량 변경을 결정합니다(그림 3). 클래스 I 유전체(예: C0G 및 U2J)는 온도에 안정적인 유전체를 제공하는 반면에 유전체 상수(K)가 낮습니다. 이에 반해 클래스 II 소재(예: X7R 및 X5R)는 중간급 안정성과 K 값을 제공하는 반면에 정전 용량 값은 훨씬 높습니다.

그림 3: 클래스 I 및 클래스 II 유전체는 주로 특정 온도에 대해 변경되는 정전 용량의 크기 면에서 차이가 있습니다. (이미지 출처: KEMET)

하지만 고속 스위칭 전력 시스템의 경우 작동 주파수가 높을수록 전력을 공급하는 데 필요한 정전 용량이 낮습니다. 따라서 K 값이 작은 세라믹 커패시터로 대형 고정전 용량 필름 커패시터를 대체하여 출력 밀도를 획기적으로 개선할 수 있습니다. 세라믹 커패시터는 실장 면적이 작기 때문에 출력 밀도가 높은 응용 분야에서 냉각을 최소화하면서 고속 스위칭 반도체에 더 가깝게 실장할 수 있습니다.

클래스 I 유전체 MLCC

CKC33C224KCGACAUTO(0.22µF, 500V), CKC33C224JCGACAUTO(0.22µF, 500V), CKC18C153JDGACAUTO(15nF, 1000V)와 같은 KEMET의 KC-LINK 커패시터는 클래스 1 유전체의 좋은 예입니다. 이 커패시터는 스위칭 주파수, 인가 전압 또는 주위 온도로 인해 정전 용량 손실 없이 매우 안정적으로 작동하는 클래스 1 지르콘산 칼슘 유전체를 활용합니다. 또한 저손실 지르콘산 칼슘 유전체는 시간에 따른 정전 용량 변화가 없으므로 노화 효과를 최소화합니다.

KC-LINK 커패시터는 C0G 유전체 기술을 활용하여 매우 낮은 ESR을 실현하고, 높은 출력 밀도 설계에 필요한 매우 높은 리플 전류를 관리할 수 있습니다. 클래스 I 세라믹 커패시터는 기계적 내구성이 뛰어나므로 리드 프레임을 사용하지 않고 실장할 수 있습니다. 따라서 ESL이 매우 낮습니다.

이 세라믹 커패시터는 DC 전압 대비 정전 용량 변화 없이 매우 높은 리플 전류에서 작동할 수 있으며, -55°C ~ 150°C의 작동 온도 범위 대비 정전 용량 변화는 무시해도 될 수준입니다. 그리고 정전 용량 값 범위 4.7nF ~ 220nF와 전압 정격 범위 500V ~ 1,700V에서 사용할 수 있습니다(그림 4).

그림 4: 150°C의 작동 온도를 지원하는 KC-LINK 세라믹 커패시터는 소형 냉각을 필요로 하는 높은 출력 밀도 응용 제품에서 고속 스위칭 반도체에 가깝게 배치할 수 있습니다. (이미지 출처: KEMET)

클래스 1 유전체를 기반으로 하는 KC-LINK 커패시터는 동일한 크기의 클래스 2 커패시터보다 작은 온칩 정전 용량을 제공합니다. 따라서 더 많은 정전 용량이 필요한 경우 여러 KC-LINK 커패시터를 단일 모놀리식 구조로 결합하여 고밀도 패키지를 만들 수 있습니다.

이런 방식으로 커패시터를 통합하면 KC-LINK와 유사하지만 정전 용량이 최대 125% 향상된 저잡음 솔루션이 구축됩니다. 마찬가지로 클래스 I 유전체를 기반으로 하는 KEMET의 KONNEKT 표면 실장 커패시터는 100pF ~ 0.47µF 범위의 더 높은 정전 용량 값을 제공합니다. 이 커패시터는 정격 전압에서 공칭 정전 용량의 99% 이상을 유지하므로 타이밍이 중요하고 온도 순환 및 기판 유형성이 적용되는 응용 분야에 적합합니다.

정전 용량 증가를 위한 스택형 MLCC

C1812C145J5JLC7805, C1812C944J5JLC7800, C1812C944J5JLC7805를 비롯한 KONNEKT 세라믹 커패시터는 장치의 무결성을 유지하면서 2개 ~ 4개의 세라믹 커패시터를 가로 또는 세로로 쌓아 구축합니다. C1812C944J5JLC7800 세라믹 커패시터는 두 개의 장치를 쌓아서 0.94µF의 정전 용량을 제공하고, C1812C145J5JLC7805 세라믹 커패시터는 세 개의 장치를 쌓아 1.4µF의 정전 용량을 제공합니다.

이 MLCC는 전이 액상 소결(TLPS) 재료를 사용하여 부품 종단을 결합함으로써 리드리스 다중 칩 솔루션을 생성합니다. 리드리스 다중 칩 솔루션을 사용하면 커패시터가 기존 리플로 공정과 호환됩니다. 구리-주석 소재로 제작된 금속 매트릭스 합성 본드인 TLPS는 납땜을 대체하여 사용되며, 두 표면(이 경우 U2J 계층) 사이에 야금 본드를 형성합니다.

커패시터를 양방향으로 내장하여 부품 실장 면적을 최소화하고 스택형 MLCC 장치(그림 5)의 벌크 정전 용량을 최대화하여, 이전에는 클래스 II 유전체(예: X5R 및 X7R)에서만 가능했던 정전 용량 범위를 KONNEKT 세라믹 커패시터에서 실현할 수 있습니다.

그림 5: MLCC를 쌓아서 정전 용량을 높이고 저손실 방향으로 배치하여 ESR 및 ESL을 낮출 수 있습니다. (이미지 출처: KEMET)

저손실 방향에서는 적은 전기 에너지가 열로 변환되므로 에너지 효율과 커패시터의 전력 처리 기능이 향상됩니다. 또한 저손실 방향에서는 ESR과 ESL이 모두 낮으므로 세라믹 커패시터의 리플 전류 처리 기능이 향상됩니다.

TLPS 소재를 매우 안정적인 세라믹과 결합하여 사용하면 세라믹 커패시터에서 수백 킬로헤르츠 범위의 매우 높은 리플 전류를 처리할 수 있습니다. 예를 들어 C1812C145J5JLC7805 U2J 1.4μF KONNEKT 커패시터에서 표준 방향으로 실장된 경우 ESL이 1.6nH이고, 저손실 방향에서는 0.4nH로 감소합니다. 마찬가지로 저손실 방향에서는 ESR이 1.3mΩ에서 0.35mΩ으로 감소되어 시스템 손실을 줄이고 온도 상승을 제한합니다.

KEMET의 U2J KONNEKT 표면 실장 커패시터는 –55°C ~ +125°C 온도 범위에서 정전 용량 변경을 –750 ±120ppm/°C로 제한합니다. 따라서 U2J 세라믹 커패시터의 DC 전압 대비 정전 용량 변경이 무시해도 될 수준이고, 주위 온도에 대한 정전 용량의 선형적 변경을 예측 가능합니다.

AC 라인 세라믹 커패시터

위 섹션에서 언급한 세라믹 커패시터는 DC 레일의 전압과 전류를 안정화 및 평탄화하여 고속 스위칭으로 인한 감결합 급증을 방지합니다. 하지만 세 커패시터는 AC 라인 필터링, AC/DC 컨버터, 역률 보정(PFC) 회로에도 사용됩니다.

AC 라인 세라믹 커패시터는 안전 등급 형식과 비안전 등급 형식으로 모두 제공됩니다. 안전 등급 커패시터는 전기 잡음을 억제하고 과전압과 과도 전압으로부터 설계를 보호하지만, 더 높은 정전 용량/전압(CV) 레벨은 안전 인증 MLCC에서 사용할 수 없습니다.

다양한 크기와 CV 값으로 제공되는 비안전 등급 AC 세라믹 커패시터는 AC 라인 조건에서 연속으로 사용할 수 있습니다. KEMET의 CAN 계열 세라믹 커패시터는 50/60Hz 라인 주파수와 기타 비안전 응용 분야에서 250V_AC의 AC 라인 조건에 적합합니다.

그림 6: CAN 계열 AC 라인 커패시터는 높은 주파수에서 낮은 누설 전류와 낮은 ESR을 제공합니다. (이미지 출처: KEMET)

AC 라인 커패시터는 높은 주파수에서 낮은 누설 전류와 낮은 ESR을 제공합니다(그림 6). 이 커패시터는 라인 간(클래스 X) 응용 분야와 라인-접지(클래스 Y) 응용 분야의 요구 사항을 모두 충족하고 IEC 60384 표준에 요약된 임펄스 기준을 충족합니다.

CAN 계열 세라믹 커패시터는 X7R 유전체와 C0G 유전체 모두에서 사용할 수 있습니다. DC 라인 커패시터 사례에서 살펴본 바와 같이 C0G 유전체는 시간과 전압에 따른 정전 용량 변화가 없고, 주위 온도에 관한 정전 용량 변화는 무시해도 될 수준입니다. 반면에 CAN12X153KARAC7800 및 CAN12X223KARAC7800과 같은 세라믹 커패시터에서 X7R은 시간 및 전압에 관한 정전 용량 변화를 예측 가능하고, 주위 온도로 인한 정전 용량 변화를 최소화합니다.

CAN12X153KARAC7800 세라믹 커패시터의 정전 용량 값은 0.015µF이고, CAN12X223KARAC7800 장치의 정전 용량은 0.022µF입니다. 두 MLCC 장치는 모두 10% 허용 오차 범위를 제공합니다.

결론

전력 공급 시스템이 계속해서 축소되고 작은 폼 팩터에서 더 많은 출력을 제공함에 따라 MLCC는 서버 전원 공급 장치, 무선 충전기, 전력 인버터 등의 설계에서 중요한 역할을 하고 있습니다. MLCC는 DC 및 AC 전압의 변동을 완화하고, 전류 리플을 안정화하며, 변환 효율 향상을 추구하는 전력 설계에서 열 관리를 보장합니다. 앞서 살펴본 바와 같이 선택된 클래스 I 및 클래스 II 유전체는 특정 응용 분야의 요구 사항에 따라 ESR 및 ESL과 같은 기타 주요 파라미터와 정전 용량을 조정할 수 있는 기능을 MLCC에 제공합니다.