슈퍼 커패시터 사용 시 고려 사항

설계자는 광범위한 응용 제품에서 슈퍼 커패시터(전기 화학 이중 계층 커패시터 또는 EDLC라고도 함)를 사용하고 있습니다. 응용 제품으로는 플래시 메모리 포함 내장형 시스템을 위한 로컬 백업 전력, 펄스 전력, 브리징 또는 홀드업 전력, 카메라 플래시 시스템, 에너지 하베스팅, 펄스 응용 제품, 산업용 시스템, 무선 경보, 원격 계측 및 장난감 등이 포함됩니다. 슈퍼 커패시터가 유용하긴 하지만, 설계자는 기존의 기판 수준 커패시터와 관련된 그 복잡 미묘한 특징을 이해해야 합니다.

이 블로그에서는 슈퍼 커패시터 사용 시 고려해야 하는 세 가지 주요 사항에 대해 소개하고, AVX Corp., Eaton 및 KEMET에서 제공하는 광범위한 응용 제품에 최적화된 각 슈퍼 커패시터에 대한 간략한 리뷰를 제공합니다.

슈퍼 커패시터를 사용한 설계 시 고려 사항

슈퍼 커패시터 사용 시 설계자는 다음과 같은 난제에 당면할 수 있습니다.

등가 직렬 저항(ESR): 슈퍼 커패시터에서의 ESR 문제는 쉽지 않습니다. 제조업체의 견적서에 표시된 사양은 크게 다르지 않을 수도 있지만, 배송된 장치의 실제 ESR은 상당히 다양할 수 있습니다. 또한 ESR은 슈퍼 커패시터의 노후화가 진행되면서 증가합니다. 설계자는 낮은 ESR로 시작하며 작동 수명에 걸친 광범위한 온도 범위에서 ESR이 비교적 계속 낮게 유지되는 슈퍼 커패시터를 사용하는 것이 좋습니다. 시간이 지남에 따라 ESR에 영향을 미칠 수 있는 요소로는 재료 순도, 제조 공정의 청결도, 배송 전에 장치가 번인된 시간(해당되는 경우) 등이 있습니다.

슈퍼 커패시터 수명 최대화: 일반적으로 고온 및 셀 수준에서의 고 작동 전압은 ESR을 증가시키고 슈퍼 커패시터의 수명을 감소시킵니다. 따라서 설계자가 셀당 작동 전압을 낮추는 것이 슈퍼 커패시터의 수명을 최대화하기 위한 중요한 요인이 됩니다. 통상적인 방법은 더 많은 셀을 직렬로 연결하는 것인데, 이러한 방법은 시스템의 ESR을 증가시킵니다. 그러나 이 문제는 정전 용량을 추가하여 ESR을 낮춤으로써 해결할 수 있습니다.

전력 변환: 배터리 또는 다른 더 안정적인 전압 소스를 사용하는 것은 많은 설계자들이 익숙한 방법입니다. 슈퍼 커패시터를 사용할 때는 부하구동 시 전압이 어떻게 떨어지는지와 전류 속도가 전압에 미칠 수 있는 영향을 이해하는 것이 중요합니다. 최적화되지 않은 전력 컨버터를 사용하는 경우 슈퍼 커패시터가 필요 이상으로 비싸질 수 있습니다. 전력 전자 장치가 더 광범위한 전압 범위(전체 정격 전압 ~ ½ 정격 전압)를 사용하도록 설계된 경우, 슈퍼 커패시터에 저장된 에너지 전체를 사용할 수 있습니다. 따라서 더 작은 슈퍼 커패시터를 사용할 수 있으며, 이를 통해 비용이 절약되고 시스템 사이즈가 감소됩니다.

고 에너지 밀도를 위한 5패러드 슈퍼 커패시터

Eaton의 PHV-5R4H505-R 5F 슈퍼 커패시터는 5V 장치로, 펄스 전력 시스템, 무정전 전원 공급 장치 및 산업용 시스템과 같은 고 에너지 밀도 응용 제품의 요구에 최적화되었습니다(그림 1). 통합 셀 관리(내장형 밸런싱)를 특징으로 합니다. ESR은 100Hz에서 70mΩ, 1kHz에서 65mΩ이며, 작동 온도 범위는 -40°C ~ +65°C입니다. 온도 범위는최대 +85°C까지 확장되며, +85°C에서는 선형 전압이 4.0V로 강하합니다. PHV-5R4H505-R은 특정 충전 전압 및 온도 범위 내의 작동을 기준으로 최대 20년의 수명을 지닙니다.

그림 1: Eaton의 PHV-5R4H505-R 5F 슈퍼 커패시터는 고 전력 밀도를 위해 직사각형 패키지로 제공됩니다. (이미지 출처: Eaton)

다음으로, 다양한 응용 제품의 요구를 위해 최적화된 두 개의 470mF 슈퍼 커패시터를 살펴보도록 하겠습니다.

펄스 전력을 위한 400mΩ, 470mF 슈퍼 커패시터

AVX의 SCMQ14C474PRBA0은 5V, 470mF 직렬 연결 슈퍼 커패시터 모듈로, ESR은 1kHz에서 400mΩ입니다(그림 2). 에너지 하베스팅 시스템, 펄스 전력 응용 제품에서의 사용에 최적화되었으며, 에너지 홀드업 회로에서 배터리를 보조하거나 대체하는 용도로 사용될 수 있습니다. 배터리와 함께 사용되는 경우 이 커패시터는 백업 시간 및 배터리 수명을 늘리고, 즉각적 펄스 전력 요구 사항을 지원합니다.

그림 2: SCMQ14C474PRBA0은 에너지 하베스팅 시스템, 펄스 전력 응용 제품에서의 사용에 최적화된 5volt, 470mF 슈퍼 커패시터입니다 (이미지 출처: AVX Corp.)

장기 백업 전력을 위한 25Ω, 470mF 슈퍼 커패시터

KEMET의 FC0V474ZFTBR24는 470mF, 3.5V 슈퍼 커패시터로, 플래시 메모리 및 클록 IC가 포함된 내장형 마이크로 프로세서 시스템과 같은 저전압, 직류(DC) 홀드업 응용 제품에 사용하기에 적합합니다(그림 3). ESR이 1kHz에서 25Ω인 이 장치는 특히 500μA 이하의 백업 전류를 장기간 제공하는 데 유용합니다.

그림 3: FC0V474ZFTBR24는 홀더가 필요 없는 표면 실장 패키지로 제공되는 KEMET의 470mF, 3.5V 슈퍼 커패시터입니다. (이미지 출처: KEMET)

결론

슈퍼 커패시터는 기존의 기판 수준 커패시터에 비해 더 복잡합니다. 내장형 시스템의 로컬 전력 백업, 펄스 전력, 에너지 하베스팅, 무정전 전력 공급 장치, 산업용 시스템 및 원격 계측 등의 응용 제품에 알맞는 다양한 형태로 제공됩니다. 설계자는 ESR에 특히 주목해야 하는데, 연장된 작동 수명 제공하기 위한 미묘한 고려 사항 및 전력 컨버터 설계에 주의해야 합니다.