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2020.08.05 AC/DC

알루미늄 전해 콘덴서 – 수명 계산과 열화 증상 「용량 손실」이란?

절연형 플라이백 컨버터의 성능 평가와 체크 포인트

절연형 플라이백 컨버터의 성능 평가에 있어서, 사양 이외에 확인해 두어야 할 「중요 체크 포인트」로서 하기의 항목에 대해 설명했습니다. 이제 마지막 체크 포인트로서 「전해 콘덴서」에 대해 설명하겠습니다.

오늘날, 전해 콘덴서에는 알루미늄 전해와 더불어 탄탈 및 기능성 고분자의 전해 콘덴서가 존재합니다. 본 편에서는 기본적으로 가장 표준적인 알루미늄 전해 콘덴서를 중심으로 설명하겠습니다. 알루미늄 전해 콘덴서는 비교적 저렴한 가격으로 대용량을 얻을 수 있으므로, 특히 AC/DC 컨버터의 경우 입출력 대용량 콘덴서로 표준적인 선택지입니다. 이러한 의미에서 세밀하게 검토하지 않고 사용되는 케이스가 있으므로, 주의해야 할 사항에 대해 확인하겠습니다.

알루미늄 전해 콘덴서는 수명을 의식하고 사용하는 부품

어떤 부품이라도 수명은 한정되어 있습니다. 예를 들어 IC 등의 반도체 부품은 돌발적인 경우를 제외하면, 수명 예측을 근거로, 수명을 의식하지 않고도 기기의 내용연수를 충분히 만족합니다. 그러나, 일반적으로 알루미늄 전해 콘덴서의 수명은 비교적 짧아, 가동 중인 전원에 경년 변화로 인한 성능 열화가 발생할 가능성이 있습니다.

알루미늄 전해 콘덴서의 수명은 온도에 따른 가속성이 크며, 일반적으로는 「10℃ 2배 법칙」이라고도 불리우는 「아레니우스의 법칙」에 준거합니다. 이는 온도가 10℃ 올라가면 가속 계수는 2배가 되어, 수명은 1/2로 줄어든다는 의미입니다. 물론, 반대로 10℃ 낮아지면 수명은 2배로 늘어난다는 의미도 있습니다. (실제의 개별 수명 산출은 콘덴서 메이커가 제공하는 계산식 등을 통해 산출하여 주십시오.)

콘덴서에 리플 전류가 흐르면, 내부 임피던스로 인한 손실 때문에 발열이 발생합니다. 알루미늄 전해 콘덴서는 비교적 ESR이 크므로, 흐르는 리플 전류가 큰 경우에는 그 만큼의 발열이 발생한다는 것을 인식하는 것이 중요합니다.

예를 들어 「105℃ / 2000시간」의 예측 수명을 지닌 알루미늄 전해 콘덴서를 75℃에서 사용할 수 있다면 16,000시간의 수명을 예측할 수 있으며, 95℃일 경우 4000시간의 수명을 예측할 수 있습니다. 또한, 이러한 예측 수명은, IC 등과 비교하면 훨씬 짧다는 사실을 알 수 있습니다.

알루미늄 전해 콘덴서 열화로 인한 문제

알루미늄 전해 콘덴서가 수명으로 인해 열화되면 기본적으로는 정전 용량이 저하됩니다. 이는 누액이나 용량 손실이라고도 합니다. 용량이 저하되면 전원 회로로서는 본래 필요했던 용량을 얻을 수 없으므로, 하기와 같은 증상이 발생하여 전력을 공급받는 디바이스의 동작에 문제가 발생합니다.

  • 입력 콘덴서의 경우 ⇒ 리플 전압의 상승, 유지 시간의 저하 (축전 가능한 전하가 적으므로)
  • 출력 콘덴서의 경우 ⇒ 리플 전압의 상승, 출력 제어 루프의 안정성 저하 (응답에 악영향을 미친다)

주의점

기본적으로는 되도록 콘덴서의 온도를 낮게 억제해야 하며, 대원칙으로서 하기 항목에 주의하여 주십시오.

  • 사용하는 콘덴서의 리플 전류 정격을 확인하여, 회로의 리플 전류를 충분히 커버할 수 있는 정격의 제품을 선택한다.
  • 평가 시에는 오른쪽 그림과 같이 실제의 리플 전류를 확인한다.
  • 마찬가지로, 콘덴서의 온도도 충분히 확인하여 수명을 예측한다.
  • 조건에 따라서는 디레이팅이나, 실장 시 발열체로부터 거리를 두는 등, 조금이라도 온도를 낮출 수 있는 대책을 강구한다.
  • 수명을 예측하고, 그 결과를 바탕으로 예측 수명의 제시 및 보수, 보전을 실시한다.

지금까지 알루미늄 전해 콘덴서에 관한 주의점에 대해 설명하였습니다. 전원 설계자에게 있어서는 이미 잘 알려진 내용일 것입니다. 그러나, 설계 시에는 이러한 부분에 대해 고려한 부품을 사용했음에도 불구하고, 양산 시에 동일 용량의 범용 알루미늄 전해 콘덴서로 변경되어, 시장 출시 후 문제가 발생했다는 케이스도 있으므로 반드시 주의해야 합니다. 취급이 익숙한 부품이라고 해도 주의가 필요한 사항이 많이 있습니다.

키 포인트

・알루미늄 전해 콘덴서는 수명을 의식하고 사용하는 부품이다.

・알루미늄 전해 콘덴서의 수명은 온도에 따른 가속성이 크며, 일반적으로는 「10℃ 2배 법칙」이 적용된다.

・열화로 인한 용량 손실은 회로 동작에 악영향을 미칠 가능성이 높다.

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