제품정보: 기술토픽

산업기기용 파워 필름콘덴서 기술동향

Printing is from here power film capacitors

시작하며

 최근, 지구온난화 문제와 그 대책으로 에너지 절약화는 세계적인 문제가 되고 있다. 또한, 3월 11일 동일본 대지진에 의한 후쿠시마 원자력 발전 사고에서 각국에서 에너지 대책에 대한 분위기가 조성되고 있으며 이후, 태양광, 풍력발전 등의 재생 가능한 에너지의 시장규모는 세계적으로 급격히 확대될 것으로 예상된다.
현재, 여러 분야의 산업기기에 있어서 에너지 절약을 위한 세밀한 제어가 가능한 인버터화가 진행되고 있어, 사용되는 콘덴서로써 필름콘덴서가 증가하고 있다. 그 이유로는 필름 콘덴서가 갖고 있는 다음의 특징 때문이다

루비콘의 파워용 필름 콘덴서
사진①:루비콘의 파워용 필름 콘덴서

(1) 수명의 Maintenance free
(2) 주파수 특성이 양호하여 저손실・저발열
(3) 고내압 특성이 우수
(4) 우수한 자기회복・보안성능을 갖고 있어, 안전성이 높음.
사진①은 루비콘의 파워용 필름콘덴서(개발 ・제조는 루비콘전자㈜)의 예이다. 루비콘에서는 시장이 요구하는 소형, 경량화, 저가정책을 실현하면서 신뢰성, 성능이 우수한 파워용 필름콘덴서의 개발을 적극적으로 추진하고 있다.
 
이하, 필름콘덴서에 있어서의 「소형화」 「저ESR화」 「저ESL화」를 포인트로 설명한다.

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콘덴서의 구조・등가회로

메탈라이즈드 필름 콘덴서는 유전체인 플라스틱 필름에 전극이 hel는 금속을 진공에서 증착한 후, 증착된 필름을 일정한 간격으로 잘라서 한 쌍으로 귄회한 콘덴서를 프레스・열처리 후에 내부전극을 꺼내기 위해 메탈리콘 후, 리드선 등의 단자를 용접 또는 납땜한 구조로 되어 있습니다.
메탈라이즈드 필름 콘덴서의 가장 큰 특징으로, 유전체에 약점부가 있거나 과전압이 인가되는 경우 등, 인가 에너지나 콘덴서 자체가 가지고 있는 에너지에 의해 증착 금속이 순간적으로 산화되어 콘덴서의 기능이 회복하는 자기 회복성(Self-healing성)을 가지고 있습니다만, 최근에는 메탈라이즈드 필름의 증착막에 보안기능을 설계, 신뢰성을 높힌 구조가 주류가 되고 있습니다.

도면①
도면①

도면①은 메탈라이즈드 필름 콘덴서의 증착 구조를 표시한 것으로 보안기능은 필름 표면에 증착막을 형성할 때 증착 금속을 복수의 영역으로 분할하여 그 영역별로 퓨즈기능을 첨가, 자기회복의 한계를 넘는 절연파괴가 발생한 경우에 이 퓨즈가 단락 전류에 의해
용단하여 회로에서 이 영역의 콘덴서부를 차단한다. 이 기능에 의해 콘덴서의 절연파괴를 피할 수 있게 된다.
메탈라이즈드 필름 콘덴서의 성능은 유전체인 필름 자체의 성능 및 전극이 되는 증착 금속의 종류, 저항, 증착 패턴에 크게 의존한다.

도면② 메탈라이즈드 필름 콘덴서 단면도
도면② 메탈라이즈드 필름 콘덴서 단면도

도면②는 메탈라이즈드 필름 콘덴서의 단면도이다. 내부전극인 증착 금속에서 전극을 이끌어내기 위해 메탈리콘(금속분무)을 하지만 이 금속과 증착 금속의 접속이 충분하지 않으면 ESR이 높아져 전류특성이 떨어진다. 이 점에서 메탈리콘 기술은 콘덴서 특성상 중요한 요소기술이다.

도면③ 필름 콘덴서 등가회로
도면③ 필름 콘덴서 등가회로

도면③은 필름 콘덴서의 등가회로이다. 이상적인 콘덴서라면 용량성분인 C만 존재하지만, 실제의 콘덴서에는 IR(Insulation Resistance)이 있어서 전극간의 저항치는 유한대가 아닌 미량의 전류가 흐르며 이것이 절연저항이다. ESR(Equivalent Series Resistance)은 콘덴서 유전체 저항분, 증착 및 메탈리콘의 접속저항, 버스바 단자의 저항 등의 등가저항이 된다.

콘덴서에 고주파 전류가 흐를 때, 식①과 같이 ESR에 비례하는 전력손실에 의해 콘덴서가 발열한다. 이 발열이 크면 사용상의 제한을 받거나, 제품의 수명에도 영향을 줄 수가 있다. ESL(Equivalent Series Inductance)은 전극, 버스바 등의 배선의 인덕턴스 성분의 등가직렬 인덕턴스이다. 이 ESL이 크면 IGBT등의 파워 반도체의 스위칭 시, 큰 서지전압이 발생할 수 있다..

식① 콘덴서의 발열식

Pe=I2 RESR«Pe=실행전력(W)  I=콘덴서에 흐르는 전류(Arms)»

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소형화

필름 콘덴서의 체적은 유전체 재료의 두께의 2승과 거의 비례하는 점에서 콘덴서의 소형화에는 유전체 재료의 박막화가 중요하다.  일반적으로 유전체 두께를 얇게 하면, 유전체 두께당 가해지는 전압(전위경도)가 높아지는 점에서 콘덴서의 내전압이 떨어져 신뢰성이 저하된다. 이것을 개선하기 위해서도 증착 기술이 중요하다.
 루비콘에서는 증착 기술개발에 힘을 쓰고 있으며 증착면의 보안기능 패턴, 증착 금속, 증착 저항 등의 최적화 등에 개발을 실시하고 있다.  도면④는 당사의 동일 정격전압에 있어서 메탈라이즈드 폴리프로필렌 필름 콘덴서의 체적추이를 2000년도를 100으로 하여 나타낸 그래프이다. 유전체 자체의 특성개선도 있지만 증측 기술개발 등에 의해서도 10년간 거의 10분의 1이 되어, 대폭적인 소형화를 실현하고 있다.

도면④ 메탈라이즈드 폴리프로필렌 필름 콘덴서 소형화 추이
도면④ 메탈라이즈드 폴리프로필렌 필름 콘덴서 소형화 추이

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저ESR화

등가직렬저항(ESR)은 주로 증착 금속 및 증착 금속과 메탈리콘 금속의 접속저항이 지배적이다. 이 저항분을 얼마나 작게하는가가 콘덴서 설계, 제조의 포인트이다.
파워용 필름 콘덴서의 증착 구조는 앞서 기술한 내용과 같이 보안기능이 추가된 타입이 주류가 되고 있지만, 보안기능설계가 불충분하면 이 퓨즈부분이 전류의 흐름을 방해하는 ESR이 상승하며, 또한 보안기능의 동작이 계획대로 동작하지 않을 경우가 있다.
각 메이커에서는 증착 기술개발에 따른 증착 패턴, 증착 금속, 증착 조건 등의 최적화 및 증착 금속과 메탈리콘의 접속개선을 위한 메탈리콘 금속 및 용사기술개발을 진행하고 있다.

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저ESL화

평활용으로 대용량의 콘덴서가 필요한 경우에는 복수의 콘덴서 소자를 버스바로 접속시켜 모듈화를 시키지만 이 버스바의 인덕턴스에 의해 ESL이 커져버린다.
T전류가 버스바를 흐를 때에 자속을 상쇄하는 버스바 배치의 최적화를 실시하거나 버스바의 재질, 두께 등의 개선에 의한 저ESL화를 진행하고 있다.

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제품 라인업

루비콘에서는 산업기기용 파워 필름 콘덴서로서 여러 가지 특징을 가진 표-1의MPC.MPV.HVC의 3시리즈에서 폭넓은 요구에 대응하고 있다.
(1) 각형 케이스타입의 MPC시리즈(인버터 평활, 스너버 용)
(2) 원통형 케이스타입의 MPV시리즈(인버터 평활용)
(3) 모듈 타입의 HVC시리즈(EV, HEV 인버터 평활용, 각종 인버터 평활용)

Series NameMPCMPVHVC
AppearanceMPCMPVHVC
FeaturesMiniature
Special terminals are available
Cylindrical element implementedLarge capacitance is available
with internal elementes
connected in parallel
Main applicationsInverter filtering
Snubber circuit
PV inverter
Wind mill inverter
EV&HEV inverter
Various Inverter filtering
Voltage and
Capacitance Range
200VAC/1µF ~100µF
1600VDC 0.47µF ~2.2µF
250V~1200VDC /47~1500µF
250V~800VAC/47~1500µF
250V~2000VDC
100~2200µF
Category
Temperature Range
-40 ~ +85ºC-40 ~ +85ºC-40 ~ +85(+105)ºC
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이후의 진행

현재, 인버터용 디바이스는 실리콘에 의한 반도체 소자가 많이 사용되고 있지만 이후에는 실리콘 카바이트(Sic)에 의한 디바이스가 실용화 되어, 그것에 사용되는 필름 콘덴서에도 한층 더 소형, 고온, 고성능화가 요구될 것으로 생각된다.
루비콘에서는 시장의 요구에 대응하기 위하여 기능성 박막 증착 기술개발을 한층 더 진행하여 파워용 필름 콘덴서의 고내압, 소형화, 저ESR화 및 버스바 구조, 재질개량에 따른 저ESL화 등의 개발을 적극적으로 진행하고 있다.

※본문은 2011년 8월18일 발행된 전파신문「하이 테크놀로지」에 기재된 기사내용을 기본으로 가필, 수정하였습니다.

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