(Ripple) Factors Affecting Temperature Rise in MLCC

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아주 오래 전에 Pd-MLCC를 만들던 Novacap이라는 회사를 합병한 노우레스라는 업체에서 발표한 자료입니다.

ESR이나 Ripple전류 등에 의한 MLCC 자기발열에 대한 정보를 참조하시기 바랍니다

 

순서는 아래와 같습니다

 

 

Introduction

 

다층 세라믹(MLC) 커패시터가 플라스틱 필름 유형에 비해 작은 물리적 크기, 낮은 인덕턴스, 높은 온도에서 작동할 수 있는 기능 등이 장점입니다. 이러한 장점 때문에 MLC 커패시터는 전기(EV) 및 하이브리드 전기(HEV) 차량의 파워 컨버터 시스템과 같은 고출력 애플리케이션에 적합합니다. 고온에서 작동하도록 콘덴서를 선택할 때 콘덴서의 작동 조건이 작동 온도에 어떤 영향을 미칠 수 있는지 이해하는 것이 유용합니다. 이 응용 프로그램 노트에서는 MLC 캐패시터의 작동 온도에 영향을 미치는 요소를 살펴봅니다.

 

Background Temperature and Self-Heating 

 

AC(리플) 전류가 캐패시터를 통과하면 전원이 구성 요소 내부에서 분산되어 열의 형태로 에너지가 낭비됩니다. 이 메커니즘을 종종 자기 발열이라고 합니다. 캐패시터의 온도는 주변 환경의 배경(또는 주변) 온도(TA)에 따라 달라지며 자기 발열에 의한 온도 상승(ΔT)에도 따라 달라집니다. 어떤 경우에도 TA + ΔT가 캐패시터에 대한 제조업체의 최대 온도 정격을 초과해서는 안 됩니다. TA는 종종 애플리케이션에 의존하며 회로 설계자의 통제를 벗어나지만, ΔT는 캐패시터 유전체 손실, 리플 전류 및 기타 다양한 요인에 따라 달라집니다. ΔT를 가능한 낮게 유지하면 캐패시터가 더 시원하게 작동하고 작동 수명이 더 길어지며 회로가 더 효율적으로 작동합니다. 캐패시터 업계에서는 ΔT가 20-25°C를 초과하지 않아야 한다는 일반적인 규칙이 있습니다.

 

Dielectric Types 

 

MLCC는 사용되는 유전체 재료에 따라 분류됩니다. COG(NP0이라고도 함)와 같은 클래스 I 캐패시터는 낮은 유전체 손실과 높은 안정성을 특징으로 합니다. 공명 회로 어플리케이션에 자주 사용됩니다. X7R과 같은 클래스 II 캐패시터는 훨씬 높은 캐패시턴스 값을 제공하지만 일반적으로 안정성이 떨어지고 유전 손실이 더 높습니다. 일반적으로 DC 링크 회로와 같이 안정한 캐패시턴스 값이 덜 엄격한 애플리케이션에 사용됩니다. 표준 COG 및 X7R 캐패시터의 최대 온도 정격은 125°C입니다.

 

Temperature Rise Comparison of COG and X7R Capacitors

 

COG 캐패시터는 일반적으로 X7R 부품에 비해 캐패시턴스 값이 훨씬 낮지만 두 종류간에는 캐패시턴스가 겹치는 부분이 있습니다. 그림 1은 AC 리플 전류가 증가할 때 동일한 캐패시턴스 값과 유사한 사이즈의 COG 및 X7R 캐패시터의 온도 상승을 비교합니다.  

 

예상대로 리플 전류가 증가하면 온도상승(ΔT)도 증가한다. 그러나 일정 전류 레벨에서 COG 캐패시터는 X7R 부품보다 훨씬 낮은 온도 상승을 보입니다. 이는 Class II와 비교할 때 Class I 유전체 손실이 훨씬 적기 때문이다. COG 유전체의 자기 발열 효과가 훨씬 낮은 것도 전력 변환 시스템의 공명 회로와 같이 AC 전류가 높은 용도에 선호되는 이유 중 하나입니다. X7R 캐패시터는 DC 링크 애플리케이션의 평활 및 필터링 회로와 같이 대용량 캐패시턴스 값이 필요한 경우에 일반적으로 사용됩니다.

 

 

Effects of Current, Frequency and Voltage on Temperature Rise

 

특히 EV와 하이브리드 카같은 전력 변환 장치의 개발에서 MLCC는  계속 증가하고 있는 전류, 주파수와 전압에서 작동하도록 요구되어지고 있습니다.  다음 절에서는 이러한 파라미터가 자기 발열로 인한 캐패시터 온도 상승(ΔT)에 어떤 영향을 미치는지 살펴봅니다.

 

 

Effect of Current and Frequency on X7R Capacitors

 

그림 2는 1206(3216mm) 10nF X7R 캐패시터의 온도 상승에 대한 전류 및 주파수의 영향을 보여줍니다.

온도 상승(ΔT)을 전류 제곱에 대해 표시하면 곡선의 초기 기울기는 거의 선형으로 나타나는데, 이는 초기 온도 상승은 전류 제곱에 비례합니다((ΔT α I^2) 

 

저항 R의 전력 분산 P는 P = I^2R 방정식에 의해 주어지기 때문에 유전 손실이 순수 저항성으로 처리되는 경우 이는 예상할 수 있습니다. 그러나 온도가 높을수록 관계가 더 이상 선형적이지 않습니다.
- ΔT의 일정 수준 이상에서는 각 곡선의 기울기가 감소합니다. 이는 그림 3에서 캐패시터의 약 70°C에서 발생합니다.
- 심지어 더 높은 레벨의 ΔT에서는 67kHz 곡선에서 볼 수 있듯이 그라데이션이 초기값으로 돌아가기 시작합니다. 그림 3의 콘덴서의 경우, ΔT가 약 90°C일 때 이러한 현상이 발생합니다.

 

이러한 결과는 X7R 캐패시터의 온도 상승 프로파일에는 세 가지 단계가 있음을 나타냅니다. 또한 그림 3은 빈도가 온도 상승에 영향을 미친다는 것을 보여줍니다. 초기 선형 단계에서 주파수가 두 배로 증가하면 주어진 인가 전류의 온도 상승률이 절반으로 줄어듭니다. 이것은 이 단계에서 ΔT가 주파수 f에 반비례한다는 것을 시사합니다. 10nF X7R 캐패시터를 테트스하여 ΔT와 (I2/f)에 대해 그림을 그려보면, 약 60°C까지  온도가 상승합니다

 

 

사이즈와 용량을 선택하여 테스트한 결과,  적어도200kHz의 주파수에 대해 X7R 캐패시터의 초기 온도 상승은 다음 관계가 잘 맞는 것으로 확인되었습니다.

 

      ΔT α I^2/f

 

 

 

Effect of Current and Frequency on COG Capacitors

 

그림 5는 1210(3225mm) 10nF COG 캐패시터의 ΔT에 대한 전류 및 주파수의 영향을 보여줍니다.

 

그림 5에서 저주파(67kHz) 곡선이 다른 주파수와 비교하여 훨씬 가파르게 상승한다는 점을 주목하십시오. 이는 필요한 리플 전류 레벨을 달성하는 데 필요한 훨씬 더 높은 AC 전압으로 설명됩니다. 67kHz에서 1Arms만 흐르는 전류는 인가된 AC 전압이 캐패시터의 전압 정격 630V를 초과해야 합니다. 또한 다른 곡선이 거의 완전히 겹쳐 있는대, 이는 X7R과 달리 주파수가 COG 캐패시터의 온도 상승에 큰 영향을 미치지 않음을 알 수 있습니다. 그림 6은 적용된 전류의 제곱에 대해 다시 표시된 COG 데이터를 보여줍니다. 103kHz, 159kHz 및 205kHz 곡선이 선형적으로 이는  전체 전류 범위에서 ΔT α I^2라는 것을 알수있습니다 

 

Effect of DC Bias Voltage

 

전력 변환기의 DC 링크 회로는 평활 및 필터링 목적으로 캐패시터를 사용하는 경우가 많습니다. 이 응용 프로그램에서 캐패시터는 DC 전원을 가로질러 연결되며, 잔류 AC(리플) 전류에 대한 접지 경로를 제공하도록 설계되었습니다. X7R 유전체의 높은 캐패시턴스는 이러한 용도에 매우 적합하지만 캐패시터의 영구 DC 바이어스 전압이 온도 상승에 영향을 미칠 수 있습니다. 그림 7은 서로 다른 DC 바이어스 전압에서 1206 10nF X7R 캐패시터의 온도 상승 대 AC 전류를 보여줍니다.

 

DC 바이어스가 0에서 증가하면 주어진 AC 전류에 의한 온도 상승이 점차 감소합니다. 이는 Bias가 유의한 영향을 미치지 않는 지점에 도달할 때까지 계속된다. 이를 1210(3225mm) 10nF COG 캐패시터에 대한 DC 바이어스의 효과를 보여주는 그림 8과 비교합니다.

 

COG 부품의 온도 상승폭이 적은 것은 측정 오차가 상당한 영향을 미칠 수 있음을 의미합니다. 그림 8은 COG 부품에 DC 바이어스가 미치는 영향이 작음을 시사합니다.

 

 

Effect of Background Temperature

전력 변환기 시스템과 같은 고출력 애플리케이션에서 고주파 스위칭 회로에서 발생하는 열은 캐패시터를 둘러싼 백그라운드(또는 주변) 온도를 크게 증가시킬 수 있습니다. 이렇게 증가된 주변 온도는 AC 전류가 콘덴서를 통과할 때 콘덴서의 온도상승에 영향을 미칠 수 있습니다. 그림 9는 배경 온도가 1206(3216mm) 10nF X7R 캐패시터에 미치는 영향을 보여줍니다.

그래프는 칩 표면(적용된 주어진 전류에 대해)의 온도 상승이 배경 온도가 높아질수록 감소하며, 높은 전류 수준에서 효과가 가장 두드러진다는 것을 보여줍니다. 그림 10은 전류에 대해 표시된 절대 온도를 보여줍니다. 여기서:

 

절대 온도 = 배경 온도 TA + 온도 상승 ΔT

이는 이 X7R 캐패시터의 배경 온도가 상승할수록 높은 수준의 리플 전류가  제한적인 영향이 더욱 커진다는 것을 분명히 보여줍니다.

 

그림 11은 배경 온도가 1210(3225mm) 10nF COG 캐패시터의 온도 상승에 어떤 영향을 미치는지 보여줍니다.

 

결과에 따르면 COG 캐패시터의 경우 백그라운드 온도가 X7R 캐패시터의 경우보다 온도 상승에 미치는 영향이 훨씬 적습니다. 효과가 있다면  너무 작아서 정확하게 정의할 수 없습니다.

 

 

Conclusions 

 

● 배경 온도(TA)와 리플 전류에 의한 온도 상승(ΔT)의 합이 캐패시터의 최대 온도 정격을 초과해서는 안 됩니다. ΔT는 낭비된 에너지를 나타냅니다. 값이 낮을수록 캐패시터의 작동 수명이 길어지고 회로가 보다 효율적으로 작동합니다.
● 인가된 AC 전류의 진폭과 주파수, 인가된 DC 바이어스 전압, 배경(주변) 온도 등이 ΔT에 영향을 미칠 수 있는 작동 조건입니다.
● 인가된 AC 전류의 진폭과 주파수에 대해 COG 캐패시터는 유사한 캐패시턴스와 케이스 크기의 X7R 캐패시터보다 온도 상승이 현저히 낮습니다.
● COG 캐패시터의 경우 온도 상승은 인가된 리플 전류(ΔT α I2)의 제곱에 정비례합니다. 주파수는 테스트한 주파수 범위에 걸쳐 큰 영향을 미치지 않습니다.
● X7R 캐패시터의 경우 온도 상승 프로파일에는 세 가지 단계가 있습니다. 초기 온도 상승은 인가된 전류의 제곱에 정비례하며, 반비례합니다. 테스트된 주파수 범위에 걸쳐 주파수(ΔT α I2/f)에 비례합니다.
● X7R 캐패시터에 인가되는 DC 바이어스 전압이 0에서 증가하면 온도 상승(적용된 전류에 대해)이 감소합니다. 결국 추가 바이어스가 있는 지점에 도달합니다. 증가 효과는 거의 또는 전혀 없습니다. 
● X7R 캐패시터의 백그라운드 온도가 높아지면 (적용되는 전류에 대한) 표면 온도 상승이 감소합니다. 이 효과는 높은 전류 레벨에서 가장 두드러집니다.
● COG 커패시터의 경우 X7R 부품과 비교했을 때 DC 바이어스 전압 또는 백그라운드 온도 변화가 온도 상승에 미치는 영향은 상대적으로 미미합니다.

 

 

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