줄어든 정전용량: MLCC DC 바이어스 효과의 이해

(출처: Adobe Stock/VK Studio)

특정 용도에 맞는 커패시터를 선택할 때는 용량과 전압뿐만 아니라 다른 중요한 요소들도 고려해야 한다. 온도 안정성, 등가 직렬 인덕턴스(ESL), 등가 직렬 저항(ESR) 등이 그 예이다. 데이터시트를 대충 훑어보면 이러한 요소들을 놓칠 수 있지만, 시스템 성능에 큰 영향을 미칠 수 있다. 다층 세라믹 커패시터(MLCC)를 예로 들어 보자.

주의사항: DC 바이어스 효과

바륨 티타네이트 기반의 Class II 강유전체를 사용하는 MLCC에 DC 전압을 가하면 용량이 줄어든다. 이를 DC 바이어스 효과라고 하며, 온도가 변할 때도 같은 현상이 발생한다. 예를 들어, 400V의 작동 전압에서 630V 부품의 실제 용량은 DC 바이어스 효과로 인해 공칭 값의 약 70%까지 감소한다. 따라서 이 시나리오에서 Class II 유전체를 사용하는 220nF 세라믹 커패시터는 63.8nF로 감소한다 (그림 1). 이는 많은 설계에서 중요한 사실이며, 온도가 변할 때 더욱 악화된다.

그림 1: Class II 유전체를 사용하는 MLCC의 정전 용량은 동작 전압에 따라 감소한다. (출처: TDK)

납 란탄 지르코늄 티타네이트(PLZT)와 같은 반강유전성 유전체를 기반으로 하는 세라믹 커패시터는 Class II 유전체를 사용하는 MLCC와 다르다. 그림 2에서 볼 수 있듯이, 정전 용량은 인가된 DC 바이어스 전압과 AC 리플에 따라 증가하지만, 동작 온도에도 영향을 받는다. 빨간색 선은 매우 낮은 AC 리플에서 정전 용량의 변화를 나타내고, 검은색 선은 0V에서 정격 전압까지 전압을 인가할 때(예: 스너버 애플리케이션) 부품의 동작을 보여준다. 리플이 정전 용량에 미치는 영향은 분명하다. 리플 값이 높을수록 정전 용량도 커지는데, 이는 전력 전자 애플리케이션에서 유리한 점이다.

그림 2: PLZT 기반 세라믹 커패시터의 정전 용량은 일반적으로 동작 전압이 증가함에 따라 증가한다. (출처: TDK)

PLZT 기반 커패시터는 고주파수에서 낮은 ESR을 나타내므로 (그림 3), DC 링크 및 스너버 애플리케이션, 또는 xEV의 전력 시스템과 같은 고전압, 고온 환경의 필터 회로에 사용하기에 적합하다. 이러한 환경에서 PLZT 기반 커패시터는 기생 인덕턴스의 영향을 줄일 수 있다.

그림 3: PLZT 기반 세라믹 커패시터는 고주파수에서 특히 낮은 등가 직렬 저항(ESR)을 나타낸다. (출처: TDK)

이러한 커패시터는 전력 트랜지스터 옆에 배치할 수 있으며, 전압 오버슈트를 방지하여 반도체 손상을 막는 데 도움이 된다. 세라믹 커패시터는 트랜지스터가 꺼졌을 때 기생 인덕턴스에서 발생하는 과잉 에너지를 저장하는 역할을 하므로 스너버 회로에서 매우 중요한 부품이다. 트랜지스터가 켜질 때도 마찬가지로, 트랜지스터의 기생 커패시턴스를 즉시 충전해야 할 때 세라믹 커패시터가 중요한 역할을 한다. 반도체 옆에 벌크 DC 링크 커패시터와 병렬로 세라믹 커패시터를 배치하면 이러한 순간 전류를 공급할 수 있다. 그렇지 않으면 벌크 DC 링크 커패시터가 단독으로 전류를 공급해야 하는데, 이 경우 기생 인덕턴스가 높아져 성능 저하를 초래할 수 있다.

고온 환경, 특히 xEV 전력 시스템과 같은 환경에서 높은 전력 요구량을 충족하려면 버스 커패시터에 추가적인 냉각 장치를 설치해야 한다. 폴리프로필렌(PP) 필름 커패시터는 필요한 에너지 밀도를 제공하지만 고온에서 성능이 저하된다. 따라서 커패시터의 온도를 충분히 낮추기 위해 추가적인 방열 조치가 필요하다. 하지만 TDK 의 CeraLink SMD 커패시터는 고온에서도 높은 성능을 발휘하도록 설계되었으므로 추가적인 냉각이 필요하지 않다.

실리콘 카바이드(SiC) 또는 갈륨 질화물(GaN)과 같은 고속 스위칭 반도체를 사용하는 컨버터는 PLZT 기반 커패시터와 잘 작동한다. 커패시터의 등가 직렬 저항(ESR)은 낮지만 무시할 수 없으며, 지속적인 충전 및 방전으로 인해 내부가 가열된다. 결과적으로 부품의 수명이 단축된다. 그러나 PLZT 기반 커패시터는 온도와 스위칭 주파수가 높을수록 ESR이 감소하므로 실제 애플리케이션에서 훨씬 더 높은 전류를 공급할 수 있다.

시스템 비용 이점

PLZT 기반 커패시터는 Class II 유전체를 사용하는 MLCC보다 약 두 배 비싸다. 그럼에도 불구하고 더 나은 선택이 될 수 있을까?

표 1에서와 같이 다양한 MLCC 솔루션에서 동일한 2220 케이스 크기를 가진 CeraLink B58043E9563M052와 다른 MLCC(둘 다 1000V)를 비교해 보자. DC 바이어스 효과 때문에 Class II 유전체를 사용하는 MLCC는 각각 12.6nF와 25.9nF의 용량만 달성한다. 이러한 MLCC는 3~4개를 병렬로 연결해야 하지만, PLZT 기반 부품 하나만으로도 충분하다.

표 1: 800V에서 50nF 용량이 필요한 스너버 애플리케이션에 대한 CeraLink 및 MLCC 솔루션 비교. (단가 출처: 2025년 1월 15일, 마우저)

PLZT 기반 커패시터는 MLCC보다 약 두 배 비싸지만, 이 동작점에서 이 용도에는 더 나은 선택이다. 게다가 PCB 면적과 조립 비용까지 고려하면 비용 효율성은 더욱 높아진다. 적어도 이 예시에서는 최대 60%까지 비용을 절감할 수 있다.

PLZT 기반 커패시터는 부품 레벨에서 더 높은 리플 전류 처리 능력을 갖추고 있다. 100kHz 및 +85°C에서 최대 5.0A까지 처리할 수 있지만, MLCC는 동일 조건에서 1.17A까지만 처리할 수 있다. 따라서 MLCC 4개를 병렬로 연결하면 4.68A를 처리할 수 있는데, 이는 CeraLink 1개보다 약간 적은 수치이다.

맺음말

TDK의 CeraLink와 같은 PLZT 기반 세라믹 커패시터는 일반적인 Class II 유전체 커패시터와 달리 동작점까지 DC 바이어스 전압과 온도에 따라 정전 용량이 증가하는 특성을 가지고 있다. 이러한 고유한 특성 덕분에 해당 제품은 전압 피크를 억제하는 데 적합하다. 이 제품의 낮은 ESL은 고속 스위칭 광대역 갭 반도체를 사용하는 컨버터를 지원하며, 높은 주파수와 온도에서도 낮은 ESR로 인해 높은 리플 전류 처리 능력을 보여줌으로써 그 다재다능함을 입증한다.

CeraLink는 실용적인 측면에서 유용할 뿐만 아니라, 열 관리의 필요성을 줄이거나 없애줌으로써 솔루션의 비용 절감에도 도움을 줄 수 있다. 이는 시스템 비용 절감과 최종 제품의 소형화 및 경량화로 이어진다.

저자 소개

랄프 히겔케(Ralf Higgelke)는 20년 이상 전력 전자 및 수동 부품 분야에서 기자 생활을 해왔다. 현재 그는 TDK Electronics에서 대부분의 기술 콘텐츠를 작성 및 관리하고 있다.