자동차 OBC, 무선 전력 전송 및 서버 전원 공급 장치에 적합한 고전압 및 중전압 저손실 적층 세라믹 커패시터: LC 및 LLC 공진 회로에서의 응용 분야

1. 고전력 애플리케이션을 위한 전원 공급 시스템 시장 동향

최근에는 공진 회로의 사용이 증가하고 있습니다.

EV 및 PHV(전기 자동차 및 플러그인 하이브리드 자동차), 서버 전원 공급 장치, 대형 장비용 전원 공급 장치와 같은 100W 이상의 고효율 전원 공급 장치에는 LLC 공진 회로가 널리 채택되고 있습니다. 채택률이 90%를 넘는 것으로 추정됩니다. 또한 무선 전력 전송(WPT)에서도 대용량의 전력을 송수신하는 데 LC 공진 회로가 사용됩니다. WPT 지원 제품은 스마트폰이나 태블릿과 같은 소형 기기를 넘어 제조 공정에 사용되는 자동차나 운송 로봇과 같은 대형 제품으로 확대되고 있습니다.

LC 및 LLC 공진과 같은 다양한 유형의 공진 회로가 널리 보급됨에 따라 저손실 성능과 함께 10nF 이상의 안정적인 커패시턴스 값을 제공하는 공진 커패시터(공진 회로에 사용되는 커패시터)에 대한 수요가 증가하고 있습니다. 기존에는 필름 커패시터가 유일한 옵션이었지만, 다층 세라믹 커패시터는 다양한 장점으로 인해 이제 주류가 되었습니다. 특히 다층 세라믹 커패시터는 높은 전력 밀도가 필요한 공진 회로에 선호됩니다.

이 기술 문서에서는 다층 세라믹 커패시터를 공진 커패시터로 사용할 때의 이점을 설명하면서 커패시터의 특성, 효과적인 활용을 위한 포인트, 선택 고려 사항, 권장 제품 라인업에 대한 인사이트를 제공합니다.

2. 고전력 공진 회로에서 공진 커패시터의 주요 요구 사항 2.

2.1 인가 전압이 높은 공진 회로의 경우

예를 들어, 자동차 WPT와 같이 고전류를 처리하는 제품에 사용되는 공진 회로에서는 커패시터에 적용되는 전압(V(p-p))이 수백 볼트(p-p)에서 10,000 볼트(p-p)까지 상당히 높을 수 있으며, 경우에 따라 최대 10,000 V(p-p)까지 도달하기도 합니다. 다층 세라믹 커패시터의 정격 전압은 630Vdc 또는 1000Vdc이므로 고전압에서 작동할 때 이 V(p-p)가 정격 전압 한계 내에 유지되도록 커패시터를 직렬로 연결해야 합니다.

커패시터를 직렬로 연결하면 유효 커패시턴스가 감소하므로 필요한 커패시턴스를 얻으려면 병렬 연결이 필요합니다. 그 결과 공진 커패시터를 여러 직렬 및 병렬 구성으로 사용하는 것이 일반화되어 더 작은 풋프린트를 가진 제품에 대한 수요가 증가했습니다.

2.2 공진 주파수가 높은 공진 회로의 경우

자동차 시장에서 차량용 WPT의 경우 국제 표준에 따라 공진 주파수가 85kHz로 고정되어 있습니다. 그러나 EV 및 PHV OBC의 경우 공진 주파수는 제조업체마다 60kHz에서 400kHz까지 다양합니다. 이러한 애플리케이션에서는 커패시터에 고주파 고전압이 적용되어 자체 발열이 증가할 수 있습니다.

따라서 공진 커패시터는 손실 특성이 낮고 장기간 사용 시 자체 발열 상승을 최소화해야 합니다.

2.3 필름 커패시터와 비교한 다층 세라믹 커패시터의 특성

다층 세라믹 커패시터의 특징
작은 실장 면적(부피)
낮은 발열(낮은 ESR)
낮은 ESL
뛰어난 장기 신뢰성
높은 최대 동작 온도

다층 세라믹 커패시터는 최대 작동 온도가 높고 열 발생이 적어 필름 커패시터에 비해 장기 신뢰성이 뛰어납니다. 또한 동일한 커패시턴스를 가진 제품에 비해 부피가 작고 ESL이 낮다는 특징이 있습니다. 이러한 특징 때문에 다층 세라믹 커패시터는 고전력 공진 회로에서 공진 커패시터로 널리 사용되고 있습니다.

3. 공진 커패시터로 추천하는 고전압, 저손실 다층 세라믹 커패시터를 소개합니다.

앞서 언급한 바와 같이 자동차용 WPT, EV 및 PHV용 OBC와 같은 고전력 공진 회로에는 손실이 낮고 자체 발열이 적은 공진 커패시터가 필요합니다. 이러한 공진 커패시터 수요를 충족하기 위해 Murata는 정격 전압이 630Vdc 및 1000Vdc이고 저손실 재료를 사용한 중전압 및 고전압 적층 세라믹 커패시터 라인업을 제공합니다.

일반적인 제품 형태는 표준 칩 타입과 금속 단자가 있는 칩 타입 두 가지가 있습니다(표 1 참조). 금속 단자형은 대형 칩(5750M 크기)을 적층할 수 있어 실장 면적을 줄일 수 있을 뿐만 아니라 자동차 시장에서 우려되는 '납땜 균열' 위험을 완화하는 데 도움이 됩니다.

차량용 OBC, 서버 전원 공급 장치, 공진 회로가 통합된 대형 장비용 전원 공급 장치와 같은 대형 제품은 사용 기간이 길기 때문에 커패시터에 장기적인 신뢰성이 요구됩니다. 이러한 다층 세라믹 커패시터의 경우 연속 사용을 기준으로 10년의 목표 수명을 설정합니다.

4. 공진 커패시터용 다층 세라믹 커패시터 선택 시 제한 사항 4.

위에서 소개한 제품을 포함하여 공진 회로에 사용할 커패시터(공진 커패시터)를 선택할 때 고려해야 할 중요한 사항이 있습니다. 고전력 애플리케이션에서 공진 커패시터를 잘못 선택하면 장비에서 연기나 화재가 발생할 수 있습니다. 이는 발열이 적고 장기적인 신뢰성을 제공하는 다층 세라믹 커패시터의 경우에도 마찬가지이므로 특성을 신중하게 고려하여 선택해야 합니다.

특히 중요하다고 생각되는 두 가지 항목인 '커패시터의 자체 발열'과 '전압 경감 곡선'에 대해 설명하겠습니다.

4.1 자체 발열로 인한 제한 사항

고전력 애플리케이션에 사용되는 공진 커패시터는 전압 인가 직후 발생하는 초기 발열 이후 자체 발열이 증가합니다. 다층 세라믹 커패시터의 경우 자체 발열 증가는 불가피하지만 목표 수명(예: 10년) 내에서 최대 작동 온도인 125°C를 초과하는 전압 및 주파수 조건은 피해야 합니다(그림 1 참조).

Murata의 다층 세라믹 커패시터는 목표 수명 동안 커패시터의 표면 온도가 최대 작동 온도인 125°C에 도달하는 전압을 허용 전압 Vdc로 정의합니다. 커패시터를 선택할 때는 인가 전압 V(p-p)가 이 허용 전압 이내로 유지되는 것이 필수적입니다.

각 항목에 대해 '전압 경감 곡선'(그림 2 참조)을 제공하여 주파수에 따른 허용 전압을 표시하며, 제품 사양과 웹사이트의 사양서에 자세히 설명되어 있습니다.

4.2 허용 전압으로 인한 제한 사항

이것이 허용 전압과 주파수 간의 관계에 대한 당사의 관점입니다. 그림 2에 표시된 '전압 경감 곡선'은 각 항목에 설정된 허용 전압 그래프를 일반화한 것으로, 주파수 범위에 따라 세 가지 영역으로 분류할 수 있습니다.

지역 1: 주파수 범위 - 10kHz 미만: 정격 전압으로 인한 제한

10kHz 이하의 낮은 주파수로 인해 커패시터의 자체 발열이 최소화되고 정격 전압이 허용 전압이 됩니다. 그러나 이 저주파 범위에서 공진 커패시터로 중전압 및 고전압 저손실을 위해 설계된 다층 세라믹 커패시터를 사용하는 경우는 드뭅니다.

지역 2: 주파수 범위 - 몇 10kHz ~ 몇 100kHz: 지속적인 온도 상승으로 인한 제한 사항

전압 인가 직후의 자체 발열은 ^20도*1의 ΔT 이내이지만, 이 영역은 수 10kHz에서 수 100kHz에 이르는 고전압 인가로 인해 자체 발열이 증가합니다. 이 영역에서 허용 전압은 커패시터의 표면 온도가 목표 수명(여기에 소개된 제품의 경우 목표 수명 10년) 동안 최대 동작 온도인 125°C에 도달하는 전압으로 정의됩니다. 공진 커패시터로 중전압 및 고전압 저손실을 위해 설계된 다층 세라믹 커패시터가 사용되는 대부분의 경우가 이 영역에 속합니다.

*1 저손실 및 고유전율 칩 커패시터에 관계없이 작동 조건에서 커패시터의 자체 발열이 ΔT 20도 이내로 유지되도록 해야 합니다.

지역 3: 주파수 범위 - 100kHz 이상: 전압 적용 직후 초기 가열로 인한 제한 사항

주파수가 더 증가하면 전압 인가 직후 커패시터의 자체 발열이 20도의 ΔT를 초과합니다. 앞서 언급했듯이 저손실 또는 고유전율 칩 커패시터에 관계없이 작동 조건에서 커패시터의 자체 발열이 ΔT 20도 이내로 유지되도록 보장해야 합니다. 중전압 및 고전압 저손실 다층 세라믹 커패시터의 경우 허용 전압은 자체 발열이 ΔT 20도에 도달하는 전압으로 정의되므로 온도가 이 임계값 이하로 유지되도록 제품을 선택해야 합니다.

5. 공진 커패시터 선택 도구 소개: SimSurfing

지금까지 설명한 것처럼 공진 커패시터를 선택하려면 다양한 특성을 고려해야 하므로 부품 선택의 난이도가 높아집니다. 이는 자동차 OBC, 서버 전원 공급 장치, 대형 장비용 전원 공급 장치와 같이 빠르게 성장하는 분야에서 기술 발전을 복잡하게 만드는 요인이 될 수 있습니다. 특히 두 가지 점을 강조할 수 있습니다.

• 인가 전압이 더 높은 경향이 있기 때문에 직렬 및 병렬 연결이 여러 개 사용되는 경우가 많으므로 등가 정전 용량을 계산해야 합니다.
• 단일 커패시터의 인가 전압 V(p-p)를 "정격 전압" 이하로 유지해야 합니다.

Murata는 고객이 운영 환경에 가장 적합한 공진 커패시터를 선택할 수 있도록 지원하기 위해 "심서핑"이라는 툴을 개발했습니다. 이 도구는 공진 커패시터의 작동 전압, 온도, 필요한 커패시턴스를 입력하기만 하면 최적의 제품과 함께 권장 직렬 및 병렬 연결 수를 표시해 줍니다. 이 툴은 부품 선택 및 설계 시 고객의 부담을 줄여줍니다.

디자인 지원 소프트웨어인 SimSurfing은 여기에서 찾을 수 있습니다.

6. 공진 커패시터에 권장되는 중고전압 저손실 다층 세라믹 커패시터를 검색하세요!

여기를 클릭하면 칩 커패시터 타입의 제품을 검색할 수 있습니다.
금속 단자 유형의 제품을 검색하려면 여기를 클릭하세요.

*기사 내용은 발행 시점에 이용 가능한 정보를 기반으로 합니다. 최신 정보와 다를 수 있습니다.

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