DC 링크용 알루미늄 전해 콘덴서

DC 링크 커패시터는 시스템의 커패시턴스 요구 사항을 충족해야 할 뿐만 아니라 OBC의 전력 밀도가 꾸준히 증가하고 있기 때문에 지속적으로 증가하는 리플 전류를 견뎌야 합니다. 결과적으로 더 높은 전력 손실이 발생하여 전체 시스템이 과열되어 성능 저하와 수명 단축을 초래할 수 있습니다. 따라서 경쟁력을 갖추려면 필연적으로 DC 링크 커패시터에도 연결되는 냉각 시스템이 필요합니다. 이러한 요구 사항을 충족하기 위해 TDK는 기본 냉각에 최적화되고 위에 언급된 모든 특성을 완벽하게 결합한 OBC 애플리케이션용 새로운 대형 시리즈 B43652*를 개발했습니다.

DC 링크 커패시터의 올바른 선택은 여러 매개변수에 따라 달라집니다. 정격 전압(VR)은 OBC의 작동 전압에서 발생하며 평균 및 피크 리플 전압을 포괄해야 합니다. 500V를 초과하는 시스템의 경우 직렬 연결된 커패시터를 고려할 수 있습니다. 정격 리플 전류 IR, 필요한 수명 및 작동 온도 범위는 OBC의 임무 프로필에 따라 결정됩니다. 작동 온도 범위는 전체 서비스 수명 동안 예상되는 주변 온도를 포괄해야 합니다. 일부 요구사항은 제공되어 거의 변경할 수 없지만 일부 특성은 공급업체나 고객이 최적화할 수 있습니다. 알루미늄 전해 콘덴서의 수명은 주로 심부 온도에 영향을 받습니다. 일반적으로 높은 리플 전류와 증가된 주변 온도는 커패시터를 크게 가열하여 수명을 단축시킵니다. 경험적으로 Arrhenius 방정식을 바탕으로 코어 온도를 10K 높이면 수명이 50% 단축되는 것을 고려할 수 있습니다. 동일한 부하 조건에서 코어 온도를 낮추려면 구성 요소의 ESR을 줄이고 열 관리를 최적화할 수 있습니다. B43652* 시리즈를 통해 TDK는 전체 수명 동안 ESR이 매우 낮고 내부 열 저항이 향상된 대형 커패시터를 개발했습니다. 커패시터 캔 바닥과 방열판 사이의 효율적인 열 전달을 제공하는 외부 냉각 시스템을 통해 고객은 이러한 커패시터를 최대한 활용할 수 있습니다. 즉, 수명을 크게 연장하기 위한 높은 리플 전류 기능입니다. 경제적 관점에서 볼 때 이러한 최적화는 더 많은 커패시터를 병렬로 사용하거나 정격 수명이 더 긴 커패시터 설계에 비해 항상 선호됩니다.

알루미늄 전해 콘덴서 내부에는 당연히 반경 방향보다 축 방향의 열전도율이 훨씬 높은 권선 요소가 포함되어 있습니다. 기본 냉각 옵션을 얻기 위해 B43652 시리즈에서는 축 방향의 열전도율이 더욱 향상되었습니다. 와인딩 요소와 캔 바닥 사이의 직접적인 금속 접촉은 핫스팟에서 캔까지의 열 저항을 감소시키며, 캔 바닥 자체의 향상된 안정성은 수명이 지남에 따라 이러한 열 연결을 손상시킬 수 있는 부풀어오르는 것을 방지합니다. 일반적으로 커패시터 하단에는 방열판이 차단할 수 있는 압력 완화 통풍구가 포함되어 있으므로 이를 커패시터 측벽으로 이동시켰습니다. 전반적으로 TDK의 새로운 B43652 시리즈는 기본 냉각 옵션을 갖춘 OBC 애플리케이션을 대상으로 하는 측면 통풍형 대형 커패시터입니다.

이러한 설계 변경 사항의 개선 사항은 그림 4에서 볼 수 있습니다. 표준 35 x 40mm 커패시터의 경우 축 방향의 내부 열 저항은 4.49K/W인 반면, 개선된 측면 통풍 설계에서는 0.6K/W로 감소됩니다. B43652 시리즈 중 하나입니다. 권선 요소와 캔 바닥 사이의 금속 접촉으로 인해 코어에서 주변까지의 전체 열 저항도 15.1K/W에서 12K/W로 20% 감소합니다.

그림 5에는 자연 연결이 적용된 하단 통풍 설계(왼쪽)와 기본 냉각이 적용된 측면 통풍 설계(오른쪽)의 열 시뮬레이션(온도 및 열 유속)이 비교되어 있습니다. 주변 온도 85°C에서 커패시터당 1W를 적용하면 비냉각식 버전의 코어 온도가 106~109°C에 도달합니다. 측면 통풍 설계와 기본 냉각이 포함된 동일한 시나리오를 보면 방열판 온도가 85°C인 것을 고려하면 커패시터의 코어 온도는 3K만 88°C로 증가합니다. 이는 비냉각식 설계보다 약 20K 낮으며 수명이 약 200% 증가함을 의미합니다. 열유속 시뮬레이션을 비교해 보면, 기본 냉각 시나리오에서는 주로 캔 바닥을 통해 열이 전달된다는 것을 알 수 있습니다. 축 방향의 구배를 볼 수 있으며, 이는 PCB 측면에서 약한 열 전달을 나타내고 하단 측면에서는 강한 열 전달을 나타냅니다. 비냉각식 버전은 반대 방향으로 기울기가 나타나며 열 전달은 주로 PCB 방향으로 발생합니다. 따라서 비냉각식 설계는 바닥면을 통한 약한 열 유속을 나타내며 이 외에도 중앙 커패시터에 대한 비대칭 열 유속도 나타납니다. 또한 비냉각식 버전은 코어 온도 전반에 걸쳐 확산을 표시하는데, 이는 중앙 커패시터의 코어 온도가 더 높은 열 비대칭을 의미하지만, 기본 냉각 버전은 이러한 확산이 없어 상승 위험이 크게 감소합니다.