커패시터 가이드

커패시터의 발열 특성 및 측정 방법

03/28/2013

이 기술 칼럼에서는 커패시터에 대한 기본적인 사실을 설명합니다.
이 단원에서는 커패시터의 발열 특성에 대해 설명합니다.

1. 커패시터 발열

전자기기의 소형화, 경량화에 따라 부품 실장 밀도가 높아지면서 방열 성능이 저하되어 기기 온도가 쉽게 상승하는 원인이 됩니다. 특히 전원 출력 회로 소자에서 발생하는 열은 기기의 온도 상승에 큰 영향을 미칩니다. 그러나 커패시터에도 큰 전류가 흐르는 애플리케이션(스위칭 전원 스무딩, 고주파 전력 증폭기 출력 커플링 등)에서는 커패시터의 손실 성분으로 인한 전력 소비가 커져 커패시터의 발열도 무시할 수 없을 정도로 증가할 수 있습니다. 따라서 커패시터의 온도 상승은 커패시터 신뢰성에 영향을 미치지 않는 범위로 억제해야 합니다.
이상적인 커패시터는 커패시턴스 성분만 있지만 실제 커패시터는 전극 저항 성분, 유전 손실, 전극 인덕턴스 성분도 가지고 있으며 그림 1과 같은 등가 회로로 표현할 수 있습니다.

이러한 유형의 커패시터에 AC 전류가 흐르면 커패시터의 저항 성분(ESR)으로 인해 방정식 1-1에 표시된 전력 소비가 발생하고 커패시터에서 열이 발생합니다.

2. 커패시터의 발열 특성

커패시터의 발열 특성을 측정하기 위해서는 대류와 복사에 의한 표면에서의 방열과 지그를 통한 열 전달에 의한 방열이 최소화 된 상태에서 커패시터 온도를 측정해야 합니다. 또한 유전율과 전압이 비선형인 고유전율형 커패시터를 측정할 때는 커패시터에 인가되는 교류 전류와 교류 전압을 동시에 관찰해야 합니다. 또한 저정전용량 온도 보상형 커패시터는 100MHz 이상의 주파수에서 발열 특성이 요구되므로 반사가 거의 없는 조건에서 측정해야 합니다.

2-1. 커패시터의 발열 특성을 측정하는 시스템

그림 2는 유전율이 높은 정전 용량형 커패시터(DC~1MHz 범위)의 발열 특성을 측정하는 시스템의 개략도를 보여줍니다.
신호 발생기의 신호는 바이폴라 전원 공급 장치에 의해 증폭된 다음 커패시터에 적용됩니다. 이때 전류는 전류 프로브를 사용하여 관찰하고 커패시터 전압은 전압 프로브를 사용하여 관찰합니다. 동시에 적외선 온도계를 사용하여 커패시터 표면 온도를 관찰하여 전류 및 전압과 표면 온도 사이의 관계를 명확히 합니다.

그림 3은 온도 보상형 커패시터(10MHz ~ 4GHz 대역)의 발열 특성을 측정하기 위한 시스템 회로도와 측정 포맷을 보여줍니다.

이 시스템을 구성하는 장치와 케이블은 모두 50Ω으로 표준화되어 있으며, 측정 샘플은 마이크로 스트립 라인을 형성하는 보드에 장착되고 양쪽 끝에 SMA 커넥터가 부착되어 있습니다. 신호 발생기에서 나온 신호는 고주파 증폭기로 증폭되고, 방향성 커플러로 반사를 관찰하면서 샘플(DUT)에 적용됩니다. 샘플을 통해 출력된 신호는 터미네이터(감쇠기)에 의해 감쇠되고 파워 미터를 사용하여 관찰됩니다. 동시에 시료 표면 온도도 관찰합니다.

2-2. 커패시터 발열 특성 데이터

그림 4는 고유전율형 다층 세라믹 커패시터의 발열 특성 측정 데이터의 예로서 B 특성을 갖는 3216형 10uF의 6.3V에서의 발열 특성 데이터, 임피던스 및 ESR 주파수 특성을 보여줍니다.

이 그래프는 100kHz, 500kHz, 1MHz에서 교류 전류와 온도 상승의 관계, 임피던스(Z) 및 ESR(R)과 주파수 간의 관계를 보여줍니다. 발열 특성은 100kHz > 500kHz > 1MHz 순으로 작아지는 것을 확인할 수 있습니다. 또한, ESR은 100kHz에서 10mΩ, 500kHz에서 6mΩ, 1MHz에서 5mΩ으로 ESR과 발열 특성 사이에 깊은 관계가 있음을 확인할 수 있습니다.

3. 발열 특성 데이터 획득 방법

발열 특성 데이터는 Murata 웹사이트에서 확인할 수 있습니다.

그림 5는 무라타제작소에서 제공하는 설계 지원 도구 'SimSurfing'의 창을 보여줍니다. 부품 번호와 확인하고자 하는 항목을 선택하면 특성을 표시할 수 있습니다. 또한 SPICE 망 목록과 S2P 데이터를 시뮬레이션 데이터로 다운로드할 수 있습니다. 다양한 전자 회로 설계에 도움이 되는 툴로 활용하시기 바랍니다.