전력 응용 제품을 위한 필름 커패시터의 이해 및 선택

태양광 및 전기 차량(EV)의 사용이 계속적으로 증가하고 있습니다. 해당 전력 시스템은 DC/AC 인버터에 의존하는데, 이러한 인버터에는 저주파 리플을 줄이고, EMI(전자기 간섭)을 일으키는 고주파 부품을 필터링하며, 전원의 주요 측면에 영향을 미치지 않도록 과도 부하 전류를 흡수하기 위해 커패시터가 필요합니다. 이러한 전력 응용 분야를 위한 커패시터는 신뢰성이 높아야 하고 콤팩트하고 가벼워야 하며 수명이 길고 우수한 고주파 성능을 제공해야 합니다.

이러한 전력 응용 분야에는 필름 커패시터가 좋은 옵션이지만 설계자는 올바른 장치를 선택하기 위해 해당 구조와 특성을 이해해야 합니다.

이 기사에서는 필름 커패시터에 대한 간략한 개요를 제공합니다. 그런 다음 Eaton-Electronics Division의 예를 사용하여, 전력 응용 분야를 위한 필름 커패시터를 선택하고 사용하는 방법을 설명합니다.

필름 커패시터

모든 커패시터와 마찬가지로 필름 커패시터에는 2개의 전도성 플레이트가 얇은 플라스틱 필름으로 구성된 절연 유전체에 의해 분리되어 있습니다. 플라스틱 필름은 폴리프로필렌, 저손실, 고강도 유전체로 만들어 집니다(그림 1). 이 전도성 플레이트는 얇은 금속 호일이거나 유전체에 얇은 금속층이 용착되어 있습니다. 호일과 필름은 코어에 감겨 있고, 리드가 부착되어 있으며, 커패시터는 플라스틱 케이스에 담겨 에폭시 수지로 밀봉되어 있어 환경으로부터 커패시터를 보호합니다.

그림 1: 금속층과 유전체층이 번갈아 감긴 권선 코어로 구성되고, 보호 플라스틱 케이스에 밀봉된 필름 커패시터(이미지 출처: Eaton-Electronics Division, Art Pini에 의해 수정됨)

필름 커패시터는 상대적으로 에너지 밀도가 낮지만 높은 정전 용량 밀도와 여러 다른 특징을 제공합니다. 먼저, 필름 커패시터는 무극성이며, AC 및 DC 회로에 사용할 수 있습니다. 필름 커패시터의 건식 고체 유전체는 액체 또는 반액체 전해질을 사용하는 커패시터보다 높은 신뢰성을 제공하고, 안정적인 정전 용량 값을 가지며 온도 안정성이 우수합니다. 낮은 ESL(등가 직렬 유도 용량) 및 ESR(등가 직렬 저항)을 통해 높은 리플 전류를 효율적으로 처리할 수 있으므로 필름 커패시터는 고주파 응용 분야에 매우 적합합니다. 필름 커패시터의 가장 중요한 특성은 자기 회복이 가능하다는 것입니다. 유전체 항복이 발생할 경우 인접한 금속을 가화시키는 국소적인 핫 스폿이 생성되어 비전도성 구멍이 형성되고 커패시터가 정상적으로 작동되므로 수명을 연장할 수 있습니다.

필름 커패시터 유형

필름 커패시터는 특정 응용 분야에 맞게 최적화되었으며 일반적인 유형은 안전, DC 링크, AC 필터, 펄스입니다. 안전 필름 커패시터는 AC 라인 필터링 응용 제품의 전도성 방출을 감쇠하도록 설계되었습니다. 국제 안전 표준의 대부분에 전도성 EMI에 대한 요구 사항이 포함되어 있습니다. EV를 위한 전력선 기반, 전력 구동 DC 충전기를 고려해 보겠습니다. 고속 충전 DC 스테이션에서 커패시터를 통한 공통 및 차동 모드 EMI 필터링은 최소한의 전력 손실로 잡음 신호를 우회시키는 저임피던스로 작동합니다.

EMI를 억제하기 위해 전력선과 스위칭 전원 공급 장치 사이에 필름 커패시터로 구성된 라인 필터가 사용됩니다(그림 2).

그림 2: EMI가 전력선으로 전파되는 것을 방지하기 위해 안전 필름 커패시터 C_X 및 C_Y가 라인 필터에 통합되어 있습니다(이미지 출처: Eaton-Electronics Division).

C_X로 표시된 커패시터가 라인과 라인 사이에 배치되어 차동 모드 EMI를 감소시킵니다. C_Y 커패시터는 각 라인에서 접지까지 배서되어 있어 공통 모드 EMI를 감소시킵니다.

DC 링크 커패시터는 AC 스테이지 사이에 사용되는 DC 회로의 평활화 필터로 작동합니다. 한 예로 모터 구동 회로의 정류기와 인버터 스테이지 사이의 DC 버스에 있는 인덕터-커패시터(L-C) 필터를 들 수 있습니다.

그림 3: 모터 구동 회로의 정류기 스테이지와 인버터 스테이지 사이의 L-C 필터에 사용되는 DC 링크 필름 커패시터(이미지 출처: Eaton-Electronics Division)

이러한 커패시터는 모터 구동기와 함께 AC 입력과 AC 출력의 전압 수준이 서로 다른 전력 인버터 및 기타 고전력 충전 회로에서 종종 찾아볼 수 있습니다. 예를 들어, 태양광 시스템의 분산 인버터에서는 스테이지 간의 잡음 및 과도 현상을 줄이기 위해 DC 링크 필름 커패시터가 사용됩니다(그림 4).

그림 4: DC 링크 필름 커패시터는 태양광 시스템의 부스트 컨버터와 인버터 사이의 잡음과 과도 전류를 억제합니다(이미지 출처: Eaton-Electronics Division).

필름 커패시터는 V_link 라인이 정보를 다시 제어 회로로 전달하는 지점에서 스퓨어리스 신호를 줄여 성능을 향상시킵니다.

AC 필터링 커패시터는 3상 AC 전원과 같은 응용 분야에서 원치 않는 고조파 주파수 콘텐츠를 제거하는 데 유용합니다(그림 5).

그림 5: 3상 전원을 필터링하는 데 사용되는 AC 필터 커패시터(이미지 출처: Eaton-Electronics Division)

필름 펄스 커패시터는 고 dV/dt 전압 변화로부터 민감한 부품을 보호하도록 설계되었습니다. 이 커패시터는 펄스 전자 및 전력 인버터 응용 분야에 사용됩니다. 높은 전자 밀도용으로 설계된 이 커패시터는 공진 탱크 전력 컨버터와 같은 회로에서 빠른 전력 버스트를 제공합니다(그림 6).

그림 6: 펄스 필름 커패시터는 전력 컨버터의 스위칭 주파수를 기준으로 조정된 공진 탱크 회로를 형성하므로 변압기 2차측의 고주파를 제거합니다(이미지 출처: Eaton-Electronics Division).

공진 탱크 회로는 LLC(인덕터-인덕터-커패시터) 전력 컨버터의 효율성을 크게 향상시킵니다. 펄스 커패시터는 전력 컨버터의 스위칭 주파수를 기준으로 탱크 회로를 조정하는 데 사용됩니다. 공진 탱크는 변압기의 2차측에서 고주파를 제거합니다. 또한, 공진 탱크는 전력 컨버터 스위치의 소프트 스위칭을 가능하게 하여 손실을 줄이고 효율성을 향상시킵니다.

필름 커패시터의 구성

필름 커패시터의 각 유형에 대한 특성은 사용되는 재료 및 필름층의 기하학적 구조에 따라 결정됩니다. 예를 들어, Eaton-Electronics Division의 EFACA25J155D032LH AC 필터링 커패시터는 250V의 최대 전압 정격을 가진 1.5mF(마이크로패럿) ±5% 커패시터입니다. 이 커패시터는 자동차 응용 분야를 위한 AEC-Q200 인증을 획득했으며 습도 침투에 대해 THB 유형 IIIB 등급을 제공합니다.

필름 커패시터는 금속화 유전체 층이 교대로 적층되어 형성됩니다. 최저 전압 정격 커패시터(180V_AC ~ 300V_AC)의 경우 각각의 층이 개별 리드에 연결됩니다. 여러 개의 층을 병렬로 연결하면 총 정전 용량이 증가하고, 2개 이상의 층을 직렬로 배치할 경우 전압 정격이 증가합니다.

그림 7: 여러 개의 커패시터를 직렬로 추가하면 필름 커패시터의 전압 정격이 증가합니다(이미지 출처: Eaton-Electronics Division, Art Pini에 의해 수정됨).

전압 정격을 더욱 높이기 위해 분할 금속화의 각 측면에 리드가 연결됩니다(350V_AC ~ 500V_AC). 교대로 배치된 층은 리드에서 분리된 단일 금속화 필름을 가지며 일반적인 커패시터 플레이트 역할을 하므로 결과적으로 2개의 커패시터가 직렬로 연결된 형태를 이룹니다. 이러한 구조로 인해 해당 쌍의 항복 전압은 증가되지만 정전 용량은 낮아집니다. 설계자는 여러 쌍을 병렬로 배치하여 정전 용량을 늘릴 수 있습니다.

격리된 분할 세그먼트의 동일한 원리를 사용하는 600V_AC ~ 760V_AC 정격의 커패시터는 오버레이된 각각의 쌍 세트에 대해 3개의 직렬 커패시터를 생성합니다.

펄스 커패시터 응용 분야 및 구성

펄스 커패시터는 높은 dV/dt 및 전류가 발생하는 응용 분야를 위해 설계되었습니다. 이 커패시터는 낮은 ESR 및 ESL을 제공하므로 과도 전압 스파이크의 에너지를 흡수하는 기능을 향상시킵니다. 또한 자가 회복 속성을 통해 신뢰할 수 있는 장기 작동이 보장됩니다.

펄스 필름 커패시터는 스위칭 중에 발생하는 전압 스파이크 및 링잉으로부터 능동 스위칭 장치를 보호하는 스위치 모드 전원 공급 장치의 스너버 응용 제품에 매우 적합합니다. 예를 들어, 그림 8에서 저항(R1) 및 다이오드(D1)와 결합된 펄스 필름 커패시터(C1)는 MOSFET 스위치를 끄는 동안 변압기의 기생 유도 용량에 의해 발생되는 전압 스파이크를 흡수하는 스너버를 형성합니다.

그림 8: 펄스 필름 커패시터(예: C1)는 MOSFET 스위치를 끄는 동안 변압기의 기생 유도 용량에 의해 발생되는 전압 스파이크를 흡수하는, 스위치 모드 전원 공급 장치의 스너버 응용 제품에 매우 적합합니다(이미지 출처: Art Pini).

플라이백 스위치 모드 전력 컨버터에서 MOSFET이 개방되면 드레인 전류가 최대가 됩니다. 변압기의 유도 용량은 해당 전류를 유지하도록 작동하며 전압을 빠르게 상승시킵니다. 처음에 방전될 때 스너버 회로의 커패시터는 유도성 스파이크 에너지를 흡수하여 MOSFET 스위치를 보호합니다. ESL을 낮게 유지하여 정전 용량 동작의 응답 시간을 줄임으로써 스너버가 과도 현상의 높은 dV/dt를 처리할 수 있도록 합니다. ESR이 낮으면 스위치를 끄는 동안 발생하는 과도 에너지를 흡수하는 데 필요한 높은 전류가 흐를 수 있도록 합니다.

펄스 필름 커패시터의 구조는 높은 dV/dt와 결과로 생성되는 전류를 처리하도록 최적화되었습니다(그림 9).

그림 9: 펄스 필름 커패시터의 내부 구조는 ESR을 줄이기 위해 이중면 금속화 유전체 필름을 사용합니다(이미지 출처: Eaton-Electronics Division).

Eaton-Electronics Division 필름 펄스 커패시터는 이중면 금속화 유전체 필름을 사용하여 커패시터 플레이트와 리드 연결 사이의 접점을 효과적으로 두 배 확대함으로써 커패시터의 ESR을 줄이고 전류 성능을 높일 수 있습니다. 예를 들어, EFPLS1GJ223B072LH는 1600V의 최대 전압에 대해 정격화된 0.022mF ±5% 펄스 필름 커패시터입니다. 이 커패시터는 30mΩ(밀리옴)의 ESR과 12nH(나노헨리)의 ESL을 제공합니다. 또한 마이크로초당 6,000V(V/µs)의 최대 dV/dt 사양과 3.2A의 RMS 전류 정격을 가지며 피크 전류 정격 132A를 제공합니다.

관련된 EFPLA 계열에는 자동차와 같은 극심한 환경을 위한 펄스 필름 커패시터가 포함되며 THB 등급 IIIB 및 AEC-Q200 사양을 준수합니다. 예를 들어 Eaton EFPLA2AJ153B092LH는 2,000V에 대해 정격화된 0.015mF ±5% 펄스 필름 커패시터로, 45mΩ의 ESR과 12nH의 ESL을 제공합니다. 이 커패시터는 4,500V/µs의 최대 dV/dt 사양과 3A의 RMS 전류 정격을 가지며 피크 전류 정격 142.5A를 제공합니다.

결론

필름 커패시터는 건식, 무극성 기술을 활용하며 높은 정전 용량 밀도를 특징으로 합니다. 필름 커패시터는 온도 범위에 걸쳐 안정적인 정전 용량을 제공하고 높은 리플 전류와 펄스 및 서지 전압을 처리하며 고주파 및 고전력 응용 분야에 적합합니다. 금속화 구성 덕분에 자기 회복 기능을 제공하므로 신뢰성 및 작동 수명을 개선하고 보다 예측 가능한 고장 메커니즘을 실현할 수 있습니다. Eaton-Electronics Division은 여러 고유한 응용 분야 및 작동 환경에 맞게 기능적으로 최적화된 폭넓은 금속화 폴리프로필렌 필름 커패시터를 제공하며 이를 계속적으로 확장하고 있습니다.