전력 컨버터 설계에서 DC 링크 커패시터가 강력한 링크로 작동하도록 설계하는 방법

직류(DC) 링크 커패시터는 전기 자동차(EV) 모터 구동기를 위한 3상 인버터, 광발전 및 풍력 인버터, 산업용 모터 구동기, 자동차 온보드 충전기, 의료용 또는 산업용 장비를 위한 전원 공급 장치 등 많은 응용 제품에서 매우 중요한 부품입니다. DC 링크 커패시터의 최신 개발 사항을 숙지하는 것은 중요하며, 올바로 구현되지 않는 경우 '약한 링크'를 형성하게 되므로 에너지 밀도 및 안정성이 감소됩니다.

반도체 기술이 급격히 빠른 속도로 발전하는 데 반해 커패시터 기술의 발전 속도는 느리기 때문에, 안타깝게도 설계자에 의해 간과되는 경우가 많습니다. 이러한 어려움에 더해, 다양한 커패시터 기술은 서로 다른 속도로 발전합니다. 알루미늄 전해 커패시터는 이미 상당 부분 발전되어 진화가 더뎌지고 있는 반면, 필름 커패시터 및 다층 세라믹 커패시터(MLCC)는 보다 빠르게 발전하고 있습니다. 통상적으로 알루미늄 전해 커패시터는 필름 커패시터 및 MLCC에 비해 장치 부피당 더 나은 정전 용량을 제공하지만, 트레이드오프가 유동적입니다.

예를 들어 전력 스위치를 더 높은 주파수 장치로 업그레이드(IGBT를 MOSFET으로 바꾸거나 실리콘 장치를 넓은 밴드갭(WBG) 전력 스위치로 교체)하는 경우가 DC 링크 커패시터를 위한 이전 선택에 대해 재고해 보기 위한 좋은 기회입니다. 각각의 DC 링크 커패시터 기술은 고유한 기능 세트를 제공합니다(그림 1).

그림 1: 주요 기술에 대한 전압 대 정전 용량을 보여주는 DC 링크 커패시터 비교. TDK의 CeraLink 커패시터 및 MLCC는 DC 링크 응용 제품을 위해 최적화되었습니다. (이미지 출처: TDK Corporation)

알루미늄 전해(전해 커패시터)는 가장 일반적인 DC 링크 커패시터로, 고 에너지 밀도와 저비용 요구 사항을 모두 충족합니다. 이러한 커패시터는 산업용 모터 구동기, 무정전 전원 공급 장치(UPS), 그리고 다양한 소비자 가전과 상업 및 산업 응용 제품에서 주로 사용됩니다. 하지만, 전해 커패시터는 상대적으로 짧은 수명 및 저주파 작동으로 인해 보다 까다로운 응용 제품에서는 사용하기 어려울 수 있습니다.

필름 커패시터는 주로 EV 견인 구동기와 같은 더 까다로운 응용 제품에서 DC 링크 소자로 사용됩니다. 필름 커패시터는 전해 커패시터보다 더 높은 신뢰성, 높은 전류 전도 능력, 낮은 등가 직렬 저항(ESR)을 지니며, 더 높은 주파수에서 사용할 수 있습니다. 그러나 필름 커패시터는 전해 커패시터와 같이 105°C 정도의 비교적 낮은 작동 온도를 지닙니다.

MLCC가 세 번째 선택이 될 수 있습니다. 이 커패시터는 더 높은 평균 제곱근(rms) 전류 정격을 지니며, 다른 커패시터보다 더 높은 온도를 견딜 수 있습니다. 단점은 주어진 에너지 밀도에 대해 비교적 많은 수의 MLCC를 사용해야 할 수도 있어서 전류의 동일한 분배를 위해 커패시터 레이아웃을 구현하기가 어렵다는 점입니다. 또한 MLCC와 관련된 안정성 문제가 있을 수 있습니다. 세라믹 유전체는 유연성이 없으므로 기계적 또는 열적 응력에 의해 균열이 일어나 단자 간의 단락을 발생시킬 수 있습니다.

모든 DC 링크 응용 제품에 대한 '완벽한' 커패시터 기술은 존재하지 않는 것이 명백합니다. 주어진 프로젝트를 위한 최선의 설계 솔루션을 찾기 위해서는 최신 기술의 발전 및 제품의 개발에 대해 살펴볼 필요가 있습니다. 그러면 Cornell Dubilier Electronics의 알루미늄 전해 커패시터와 KEMET의 플름 커패시터, 그리고 TDK Corporation의 MLCC 등 대표적인 장치 유형의 몇몇 절충점과 성능에 대해 알아보도록 하겠습니다.

높은 리플 설계를 위한 전해 커패시터

높은 리플 전류를 지닌 응용 제품을 위해서는 Cornell Dubilier Electronics의 381LR 계열을 사용할 수 있습니다. 이 계열은 200Vdc ~ 450 Vdc 및 56µF ~ 2,200µF로 정격되어 있으며, 표준 105°C 스냅인 전해 커패시터보다 최소 25%의 리플 전류를 추가로 처리할 수 있습니다(그림 2). 최근의 전해질 조성의 발전은 이러한 커패시터가 리플 전류 성능을 지닐 수 있도록 낮은 ESR을 달성하는 주요 요인이 되었습니다. 이는 모터 구동기, 무정전 전원 공급 장치(UPS) 및 기타 높은 리플 전류 응용 제품에 더 적은 수의 커패시터가 필요함을 의미합니다.

그림 2: 381LR 알루미늄 전해 커패시터는 200VDC ~ 450VDC 및 56µF ~ 2,200µF로 정격되었습니다. (이미지 출처: Jeff Shepard, Cornell Dubilier Electronics의 원자료 기반)

자동차 견인 구동을 위한 필름 커패시터

자동차 견인 구동과 같은 까다로운 환경을 위한 시스템을 설계하는 경우, KEMET DC 링크 C4AK 필름 커패시터(125°C에서 4,000시간, 135°C에서 1,000시간의 수명)가 좋은 옵션입니다(그림 3). 초소형 시스템 설계용으로 설계된 이 장치는 저높이 및 PC 기판 실장을 위한 방사형 박스 형식을 지니며, 더 적은 수의 커패시터를 병렬로 사용하여 피크 및 리플 전류를 처리할 수 있습니다.

그림 3: KEMET DC 링크 C4AK 필름 커패시터 계열은 125°C에서 4,000시간, 135°C에서 1,000시간의 수명을 지닙니다. (이미지 출처: KEMET)

C4AK DC 링크 커패시터는 고 주파수, 고 전류 EV 시스템 전력 컨버터, 광발전 및 연료 전지 인버터, 에너지 저장 시스템, 무선 전력 전환 및 기타 산업용 응용 제품에서의 사용을 위해 설계되었습니다.

빠른 WBG 반도체를 위한 MLCC

WBG를 사용하는 경우, TDK Corporation의 CeraLink FA(유연 조립품) 제품군이 알맞은 솔루션을 제공할 수 있습니다. 이 제품군은 0.25µF ~ 10µF의 정전 용량 값과 500VDC ~ 900VDC의 정격 전압을 지닙니다. 예를 들어 B58035U9255M001은 2.5µF와 900V로 정격되어 있습니다(그림 4). CeraLink 제품군의 다양한 장치는 DC 링크 커패시터로 사용하도록 최적화되었으며, 다음 기능이 포함됩니다.

  • 1cm³당 2µF ~ 5µF의 정전 용량 밀도
  • 2.5nH ~ 4nH의 낮은 자기 유도 용량
  • 최대 150°C의 작동이 허용되는 반도체 전력 소자에 매우 근접하게 배치할 수 있음(제한된 시간 동안)
  • 전압 슬루율(dV/dt) 제한 없음

그림 4: B58035U9255M001은 TDK Corporation의 CeraLink FA 제품군 2.5µF, 900 MLCC 스택의 일부입니다. (이미지 출처: TDK Corporation)

FA 제품군 커패시터는 너비 9.1mm, 높이 7.4mm이며, 6.3mm, 9.3mm 및 30.3mm의 길이로 제공됩니다. 최대 47A rms의 리플 전류 기능이 있습니다.

결론

DC 링크 커패시터를 지정하는 것은 전력 컨버터를 설계하는 데 중요한 부분입니다. 위에서 살펴본 바와 같이, 다양한 가능한 옵션이 있으며 이는 변경될 수 있습니다. 올바른 선택을 하지 않으면 전력 컨버터가 요구 사항을 충족하지 않게 되거나 가격이 너무 비싸집니다. 잘못된 선택을 피하려면 DC 링크 커패시터 기술 및 제품의 최신 개발 사항을 숙지해야 합니다.

작성자 정보

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Jeff는 30년 이상 전력 전자 제품, 전자 부품 및 기타 기술에 관한 주제로 저술 작업을 해 왔습니다. 처음에는 EETimes에서 수석 편집자로 전력 전자 제품에 대해 글을 쓰기 시작했습니다. 이후 그는 전력 전자 제품 설계 잡지인 Powertechniques를 창간했으며, 그 후 세계적인 전력 전자 제품 연구 및 출판 회사인 Darnell Group을 설립했습니다. Darnell Group의 여러 업적 중 하나로는 PowerPulse.net을 발행하여 전 세계의 전력 전자 제품 엔지니어링 커뮤니티에 매일 뉴스를 제공한 일을 들 수 있습니다. 그는 Prentice Hall의 Reston 부에서 발행한 "Power Supplies"라는 제목의 스위치 모드 전원 공급 장치 교과서의 저자입니다.

또한 고와트 스위칭 전원 공급 장치 제조업체인 Jeta Power Systems를 공동 설립했으며, 이 회사는 Computer Products에 인수되었습니다. Jeff는 또한 발명가로서 열 에너지 수확 및 광학 메타소재 분야에서 미국 특허 17개를 보유하고 있으며, 전력 전자 분야의 글로벌 트렌드에 정통하고 강연도 자주 진행합니다. 그는 캘리포니아 주립대학(University of California)에서 양적 방법론 및 수학 석사 학위를 취득했습니다.

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