다양한 커패시터 유형 모음은 최근 몇 년 동안 크게 변하지 않았지만 애플리케이션에는 확실히 변화가 있었습니다. 이 기사에서는 커패시터가 전력 전자 장치에 어떻게 사용되는지 살펴보고 사용 가능한 기술을 비교합니다. 필름 콘덴서 다음과 같은 향후 애플리케이션에서 장점을 보여주고 있습니다. 전기 자동차 , 대체 에너지 전력 변환 및 드라이브의 인버터 . 그러나 에너지 저장 밀도가 주요 요구 사항인 경우 알루미늄(Al) 전해액은 여전히 중요합니다.
Al 전해액 또는 필름 커패시터?
해고하기는 쉽다 Al 전해액 어제의 기술처럼 보이지만, 그들과 영화 대안 사이의 성능 차이가 항상 그렇게 명확하지는 않습니다. 저장된 에너지 밀도(예: 줄/입방 센티미터) 측면에서 표준 필름 커패시터보다 여전히 앞서 있지만 분할된 고결정질과 같은 이국적인 변형 제품도 있습니다. 금속화 폴리프로필렌 비교할 수 있습니다. 또한 Al 전해질은 경쟁 필름 커패시터보다 더 높은 온도에서 리플 전류 등급을 더 잘 유지합니다. Al 전해액이 적절하게 감소되면 인식된 수명 및 신뢰성 문제도 그다지 중요하지 않습니다. Al 전해액은 정전 시 배터리 백업 없이 DC 버스 전압을 극복해야 하는 경우 여전히 매우 매력적입니다. 예를 들어, 비용이 주요 요인인 경우 상용 오프라인 전원 공급 장치의 벌크 커패시터를 필름 커패시터가 대신할 것으로 예상하는 것은 특히 어렵습니다.
영화는 여러 면에서 승리합니다
필름 커패시터는 다른 커패시터에 비해 몇 가지 중요한 장점이 있습니다. 등가 직렬 저항(ESR) 등급이 크게 낮아져 리플 전류 처리가 훨씬 향상됩니다. 서지 전압 정격도 우수하며 아마도 가장 중요한 점은 필름 커패시터가 자가 치유가 가능하다는 것입니다.
그림 1 커패시터 필름 특성.
그림 2 폴리프로필렌 필름의 온도에 따른 DF의 변화.
스트레스 이후에는 시스템 신뢰성과 수명이 향상됩니다. 그러나 자가 치유 능력은 스트레스 수준, 최대값 및 반복률에 따라 달라집니다. 또한 결함 제거 중에 생성된 플라즈마 아크로 인한 탄소 침착 및 부수적 손상으로 인해 궁극적으로 치명적인 결함이 여전히 발생할 수 있습니다. 이러한 특성은 정전이 발생하거나 라인 주파수 리플 피크 사이에 유지가 필요하지 않은 전기 자동차 및 대체 에너지 시스템의 최신 전력 변환 애플리케이션과 일치합니다. 주요 요구 사항은 허용 가능한 손실과 높은 신뢰성을 유지하면서 수천 암페어는 아니더라도 수백 암페어에 도달할 수 있는 고주파 리플 전류를 소싱 및 싱크할 수 있는 능력입니다. 또한 주어진 전력 수준에서 저항 손실을 줄이기 위해 더 높은 버스 전압으로 이동하고 있습니다. 이는 약 550V의 고유 최대 전압 정격을 갖는 Al 전해액의 직렬 연결을 의미합니다. 전압 불균형을 방지하려면 값이 일치하는 고가의 커패시터를 선택하고 관련 손실 및 비용이 있는 전압 밸런싱 저항기를 사용해야 할 수도 있습니다.
제어된 조건에서 전해액은 전력 필름과 유사하지만 신뢰성 문제는 간단하지 않습니다. 즉, 손상이 발생하기 전에 일반적으로 과전압의 20%만 견딜 수 있다는 의미입니다. 이와 대조적으로 필름 커패시터는 제한된 기간 동안 과전압을 100% 견딜 수 있습니다. 고장이 발생하면 전해액이 단락되거나 폭발하여 위험한 전해액 방전으로 인해 직렬/병렬 구성 요소의 전체 뱅크가 중단될 수 있습니다. 필름 커패시터도 자가 치유가 가능하지만 가끔 스트레스를 받는 실제 조건에서 시스템 신뢰성은 두 유형 간에 매우 다를 수 있습니다. 모든 구성 요소와 마찬가지로 습도 수준이 높으면 필름 커패시터 성능이 저하될 수 있으며 최상의 신뢰성을 위해서는 이를 잘 제어해야 합니다. 또 다른 실질적인 차별화 요소는 필름 커패시터를 장착하기 쉽다는 것입니다. 일반적인 원형 금속 캔에 비해 나사 단자부터 러그, 패스톤 및 버스 바까지 다양한 전기 연결 옵션을 갖춘 절연되고 부피 효율적인 직사각형 상자 인클로저에 사용할 수 있습니다. 전해질. 무극성 유전체 필름은 역방향 실장 기능을 제공하며 인버터 출력 필터링과 같이 AC가 적용되는 애플리케이션에 사용할 수 있습니다.
물론, 다양한 필름 커패시터 유전체 유형을 사용할 수 있으며 그림 1은 이들의 비교 성능을 요약한 것입니다[1]. 폴리프로필렌 필름은 DF가 낮고 단위 두께당 절연 파괴가 높기 때문에 응력 하에서의 손실과 신뢰성이 주요 고려사항일 때 전반적인 승자입니다. 다른 필름은 유전 상수가 더 높고 필름 가용성이 더 얇아 온도 등급 및 용량/부피가 더 나을 수 있으며, 낮은 전압에서는 폴리에스터가 여전히 일반적으로 사용됩니다. DF는 특히 중요하며 ESR/용량성 리액턴스로 정의되며 일반적으로 1kHz 및 25°C에서 지정됩니다. 다른 유전체에 비해 DF가 낮다는 것은 발열이 낮다는 것을 의미하며 마이크로패럿당 손실을 비교하는 방법입니다. DF는 주파수와 온도에 따라 약간씩 다르지만 폴리프로필렌이 가장 좋은 성능을 발휘합니다. 그림 2와 3은 일반적인 플롯을 보여줍니다.
그림 4에 표시된 것처럼 호일과 증착 금속화를 사용하는 필름 커패시터 구성에는 두 가지 주요 유형이 있습니다. 약 5nm 두께의 금속 호일은 일반적으로 높은 피크 전류 성능을 위해 유전체층 사이에 사용되지만 자체적으로는 그렇지 않습니다. - 스트레스를 견디고 나면 치유됩니다. 금속화된 필름은 진공에 의해 형성되며 일반적으로 필름 온도 범위가 -25~-35°C인 상태에서 필름 위에 1,200°C에서 Al을 약 20~50nm의 두께로 증착하여 형성됩니다.
그림 3 폴리프로필렌 필름의 주파수에 따른 DF의 변화.
그림 4 필름 커패시터 구성
아연(Zn) 및 Al-Zn 합금도 사용할 수 있습니다. 이 프로세스를 통해 유전체 전체의 어느 지점에서든 고장이 발생하면 최대 6,000°C까지 국부적으로 강렬한 가열이 발생하여 플라즈마가 형성되는 자가 치유가 가능합니다. 항복 채널 주변의 금속화는 플라즈마의 급속한 팽창으로 인해 기화되어 방전을 소멸시켜 결함을 격리하고 커패시터가 완전히 기능하도록 합니다. 정전 용량 감소는 미미하지만 시간이 지남에 따라 추가되므로 구성 요소의 노화를 나타내는 유용한 지표가 됩니다.
신뢰성을 더욱 향상시키기 위한 일반적인 방법은 필름의 금속화 부분을 아마도 수백만 개의 영역으로 분할하고, 좁은 게이트가 세그먼트에 전류를 공급하고 총 과부하에 대한 퓨즈 역할을 하는 것입니다. 금속화에 대한 총 전류 경로가 좁아지면 부품의 피크 전류 처리가 줄어들지만 추가 안전 마진이 도입되어 커패시터가 더 높은 전압에서 유용하게 정격화될 수 있습니다.
최신 폴리프로필렌은 약 650V/μm의 유전 강도를 가지며 대략 1.9μm 이상의 두께로 제공되므로 최대 수 킬로볼트의 커패시터 전압 정격을 일상적으로 달성할 수 있으며 일부 부품은 100kV 정격까지 가능합니다. 그러나 더 높은 전압에서는 코로나 방전이라고도 알려진 부분 방전(PD) 현상이 요인이 됩니다. PD는 재료 덩어리 또는 재료 층 사이의 공극에 있는 미세 공극의 고전압 파괴로, 전체 절연 경로의 부분 단락을 유발합니다. PD(코로나 방전)는 약간의 탄소 흔적을 남깁니다. 초기 효과는 눈에 띄지 않지만 시간이 지남에 따라 약화된 탄소 추적 단열재가 갑자기 총체적으로 파손될 때까지 누적될 수 있습니다. 이 효과는 그림 5에 표시된 Paschen 곡선으로 설명되며 특징적인 시작 및 소멸 전압을 갖습니다. 그림은 두 가지 전계 강도의 예를 보여줍니다. 파셴 곡선 A 위의 점은 PD 분석을 생성할 가능성이 높습니다.
그림 5 Paschen 곡선과 전기장 강도의 예.
이 효과에 대응하기 위해 매우 높은 전압 정격 커패시터에 오일이 함침되어 레이어 인터페이스에서 공기가 차단됩니다. 저전압 유형은 수지로 채워지는 경향이 있으며 이는 기계적 견고성에도 도움이 됩니다. 또 다른 해결책은 단일 하우징에 직렬 커패시터를 형성하여 각각의 전압 강하를 시작 전압보다 훨씬 낮은 수준으로 효과적으로 줄이는 것입니다. PD는 전계 강도로 인한 효과이므로 전압 구배를 줄이기 위해 유전체 두께를 늘리는 것은 항상 가능하지만 커패시터의 전체 크기가 증가합니다. 피크 전류 성능과 자가 치유 사이의 절충안을 제공하기 위해 포일과 금속화를 결합한 커패시터 설계가 있습니다. 또한 금속화는 커패시터 가장자리에서 등급을 매길 수 있으므로 가장자리의 두꺼운 재료가 더 나은 전류 처리를 제공하고 납땜이나 용접을 통해 더욱 견고한 종단 처리가 가능하며 등급은 연속적이거나 계단식일 수 있습니다.
아마도 한 걸음 물러서서 Al 전해 커패시터를 사용하는 것이 어떻게 유리한지 관찰하는 것이 유용할 것입니다. 한 가지 예는 그림 6과 같이 역률이 수정된 프런트 엔드를 갖춘 90% 효율의 1kW 오프라인 컨버터로, 20ms의 라이드 스루가 필요합니다. 일반적으로 다음과 같은 내부 DC 버스가 있습니다. 공칭 전압 Vn은 400V이고 드롭아웃 전압 Vd는 300V이며, 그 미만에서는 출력 레귤레이션이 손실됩니다.
벌크 커패시터 C1은 정전 후 버스 전압이 400V에서 300V로 떨어지기 때문에 지정된 순회 시간 동안 일정한 출력 전력을 유지하기 위해 에너지를 공급합니다. 수학적으로 450V 정격에서 Po t/h =1/2 C(Vn²-Vd²) 또는 C=2*1000*0.02/0.9*(400²-300²) =634nF입니다.
만약에 Al 전해 콘덴서 이 방정식을 사용하면 대략 52 cm3(즉, 3 in 3)의 필요한 부피가 나옵니다. TDK-EPCOS B43508 시리즈를 사용합니다. 이와 대조적으로 필름 커패시터는 TDK-EPCOS B32678 시리즈를 사용하는 경우 총 부피 1,500 cm3(즉, 91 in 3)에서 병렬로 15개가 필요할 정도로 비현실적으로 큽니다. 차이점은 분명하지만 커패시터가 DC 라인의 리플 전압을 제어해야 하는 경우 선택이 달라집니다. 400V 버스 전압이 배터리에서 나오는 유사한 예를 들어보면 홀드업이 필요하지 않습니다. 그러나 리플 효과를 예를 들어 20kHz에서 다운스트림 컨버터에 의해 취해진 80A rms 고주파 전류 펄스로부터 4V 제곱 평균 제곱근(rms)으로 줄여야 합니다. 이는 전기 자동차 애플리케이션일 수 있으며 필요한 정전 용량은 450V 정격에서 C=irms/Vrippe.2.Π.f=80/4*2*3.14*20*1000=160uF로 대략적으로 계산할 수 있습니다.
그림 6 라이드 스루(홀드업)용 커패시터입니다. HVDC: 고전압 DC.
180μF, 450V의 전해액은 주파수 보정을 포함하여 60°C에서 약 3.5A rms의 리플 전류 정격을 가질 수 있습니다(EPCOS B43508 시리즈). 따라서 80A의 경우 23개의 커패시터가 병렬로 필요하며 총 부피가 1,200cm3(즉, 73in3)인 불필요한 4,140μF를 생성합니다. 이는 전해액에 대해 때때로 인용되는 20mA/μF 리플 전류 정격을 준수합니다. 필름 커패시터를 고려하면 이제 4개만 병렬로 연결됩니다. EPCOS B32678 시리즈는 402 cm3(즉, 24.5 in 3)의 부피에서 132A rms 리플 전류 정격을 제공합니다. 온도가 주변 온도 70°C 미만으로 제한되는 경우에도 더 작은 케이스 크기를 선택할 수 있습니다. 다른 근거로 전해액을 선택하더라도 과도한 커패시턴스는 돌입 전류의 에너지 제어와 같은 다른 문제를 일으킬 수 있습니다. 물론, 일시적인 과전압이 발생할 수 있다면 필름 커패시터는 응용 분야에서 훨씬 더 견고할 것입니다. 이에 대한 예로는 전차선에 대한 간헐적인 연결로 인해 DC 링크 연결에 과전압이 발생하는 가벼운 견인력이 있습니다.
이 예는 무정전 전원 공급 장치 시스템, 풍력 및 태양광 발전, 용접, 그리드 연결 인버터 등 오늘날 많은 환경에서 일반적입니다. 필름과 Al 전해액의 비용 차이는 2013년에 발표된 수치에 요약되어 있습니다[2]. 정류된 440Vac의 DC 버스에 대한 일반적인 비용은 표 1에서 확인할 수 있습니다.
다른 응용 프로그램은 분리 및 스너버 회로 변환기 또는 인버터에서. 금속화 유형에는 특수 설계 및 제조 단계가 필요하므로 크기가 허용되는 경우 필름/호일 구조를 사용해야 합니다. 디커플링으로서 커패시터는 DC 버스에 배치되어 고주파 전류 순환을 위한 낮은 인덕턴스 경로(일반적으로 전환 100A당 1μF)를 제공합니다. 커패시터가 없으면 전류는 더 높은 인덕턴스 루프를 통해 순환하여 다음에 따라 과도 전압(Vtr)을 발생시킵니다. Vtr =-Ldi/dt.
1,000A/μs의 전류 변화가 가능하므로 몇 나노헨리의 인덕턴스만으로도 상당한 전압을 생성할 수 있습니다. 인쇄 회로 기판 트레이스는 약 1nH/mm의 인덕턴스를 가질 수 있으므로 이 상황에서는 대략 1Vtr/mm를 제공합니다. 따라서 연결은 가능한 한 짧게 하는 것이 중요합니다. 스위치 전체의 dV/dt를 제어하기 위해 커패시터와 저항기/다이오드 네트워크가 병렬로 배치됩니다. IGBT 또는 MOSFET(그림 7).
이를 통해 링잉 속도가 느려지고 EMI(전자기 간섭)가 제어되며 높은 전압으로 인한 허위 스위칭을 방지할 수 있습니다.
그림 7 스위치가 스누빙되고 있습니다. 그림 8 EMI 억제 기능을 갖춘 필름 커패시터. 그림 9 모터 구동 EMC 필터링의 필름 커패시터.
특히 IGBT의 경우 dV/dt입니다. 시작점은 스너버 정전 용량을 스위치 출력 정전 용량과 실장 정전 용량의 합보다 약 2배로 만드는 것입니다. 그런 다음 모든 링잉을 임계적으로 감쇠시키기 위해 저항기를 선택합니다. 보다 최적의 설계 접근 방식이 공식화되었습니다.
안전 등급 폴리프로필렌 커패시터는 차동 모드 EMI를 줄이기 위해 전력선 전체에 사용되는 경우가 많습니다(그림 8). 일시적인 과전압을 견디고 자가 치유하는 능력이 중요합니다. 이러한 위치의 커패시터는 X1 또는 X2로 평가되며 각각 4kV 및 2.5kV 과도 전류를 견딜 수 있습니다. 높은 전력 수준에서 일반적인 전자기 호환성(EMC) 표준을 준수하기 위해 사용되는 값은 마이크로패럿 단위인 경우가 많습니다. 필름 Y형 커패시터는 누설 전류 고려 사항으로 인해 정전용량 값이 제한되는 공통 모드 잡음을 감쇠하기 위해 라인-접지 위치에서 사용할 수도 있습니다(그림 8). Y1 및 Y2 버전은 각각 8kV 및 5kV 과도 정격에 사용할 수 있습니다. 필름 커패시터의 낮은 연결 인덕턴스 또한 자기 공명을 높게 유지하는 데 도움이 됩니다.
무극성 커패시터의 응용 분야가 증가하고 있는 것은 드라이브 및 인버터의 AC 출력에서 고주파수 고조파를 감쇠시키기 위해 직렬 인덕터로 저역 통과 필터를 형성하는 것입니다(그림 9). 폴리프로필렌 커패시터는 애플리케이션에서 신뢰성, 높은 리플 전류 등급 및 우수한 체적 효율을 위해 자주 사용되며 인덕터와 커패시터는 종종 하나의 모듈에 함께 패키지됩니다. 모터와 같은 부하는 드라이브 장치에서 멀리 떨어져 있는 경우가 많으며 시스템이 EMC 요구 사항을 충족하고 과도한 dV/dt 수준으로 인해 케이블 및 모터에 가해지는 스트레스를 줄이기 위해 필터를 사용합니다.
