Flying capacitor[플라잉 커패시터]

1. 정의

플라잉 커패시터는 전기 자동차(EV) 인버터, 배터리 관리 시스템(BMS), 재생 에너지 시스템 및 기타 전력 전자 장치와 같은 애플리케이션에서 일반적으로 사용되는 다단계 인버터에 사용되는 커패시터 유형이다. 

플라잉 커패시터의 주요 기능은 원하는 전압 레벨을 생성하기 위해 직렬 및 병렬로 연결된 여러 커패시터를 사용하여 인버터의 서로 다른 레벨 간에 에너지를 저장하고 전송하는 것이다.

 

2. 특징

고효율 및 고전력 밀도 인버터에 대한 수요가 계속 증가함에 따라 소위 "플라잉" 커패시터 멀티레벨 인버터가 많은 전력 전자 시스템의 강력한 선택으로 부상하고 있다.

이러한 커패시터는 연결된 반도체 스위칭 구조 및 상태에 따라 다른 전위로 "부동"할 수 있으므로 제조 공차, 온도 변화 및 기타 요인으로 인한 전압 수준 차이의 균형을 맞추는 데 도움이 된다.

이 커패시터는 또한 필요에 따라 에너지를 일시적으로 저장 및 방출하고 전력 밀도와 품질을 높이며 기존 전압 가용성의 사용을 최적화하여 구조 전체에서 전압 균형을 맞추는 데 도움이 된다.

 

(1) 장점

- 주파수 체배

- 낮은 반도체 전압

- 낮은 전압 및 전류 리플

- 낮은 스위칭 손실 및 낮은 EMI 방출

(2) 단점

플라잉 커패시터 크기는 동일한 정격 전력으로 기존 부스터 토폴로지에 사용되는 필수 DC 링크 커패시터보다 훨씬 작다.

문제는 특히 모든 트랜지스터가 OFF 상태일 때(예: 컨버터가 켜지기 전) 플라잉 커패시터의 전압을 조절하는 것이다.

 

3. 사용 예

(1) 배터리 관리 시스템의 플라잉 커패시터

플라잉 커패시터의 인기 있는 응용 분야로는 EV와 태양광 인버터가 있다.

가볍고 콤팩트하며 전압을 균일하게 유지하고 구성 요소의 수명을 연장할 수 있기 때문이다. 

예를 들어 EV BMS 내에서 플라잉 커패시터를 사용하여 배터리 팩 전압의 변동을 완화할 수 있다. 

EV의 배터리 팩은 일반적으로 직렬 및 병렬로 연결된 많은 개별 셀로 구성되며 이러한 셀은 제조 공차, 온도 변화 및 기타 요인으로 인해 전압 수준이 약간 다를 수 있다.

 

플라잉 커패시터는 필요에 따라 일시적으로 에너지를 저장했다가 방출함으로써 셀 전체의 전압 균형을 맞추는 데 사용한다. 

이렇게 하면 배터리 팩의 모든 셀이 최적의 전압 수준에서 작동하여 배터리 팩의 전체 수명이 연장된다. 

또한 플라잉 커패시터는 전압 파형의 고조파 왜곡을 줄이는 데 도움이 되어 시스템의 전체 전력 품질을 개선할 수 있다.

 

(2) 고효율 태양광 인버터

고효율 태양광 인버터를 사용하는 디자인이 점점 대중화되고 있지만 가장 경제적이지는 않다. 

비용 효율적인 솔루션을 달성하려면 인버터가 저비용 및 고효율이어야 할 뿐만 아니라 부스터 단계도 필요하다.

 

플라잉 커패시터 부스터 솔루션은 ​​비용 효율적이면서 효율성을 높일 수 있다. 

그러나 커패시터 크기 조정, 밸런싱 및 사전 충전과 같은 몇 가지 문제도 있다.

 

4. 설계시 고려사항

(1) 플라잉 커패시터의 크기 조정

플라잉 커패시터에 의해 공급되는 전압은 이 토폴로지에서 중요한 역할을 한다. 

커패시터의 전압 리플을 낮게 유지하려면 적절한 커패시터 크기가 필요하다. 

필요한 커패시턴스를 결정하려면 스위칭 주파수와 최대 허용 전압 리플을 고려해야 한다. 

커패시턴스의 크기는 다음과 같이 계산할 수 있다.

플라잉 커패시터 커패시턴스 계산

여기서 dU_FC는 허용되는 최대 전압 리플, I_peak 는 최대 전류, f_SW 는 트랜지스터의 스위칭 주파수이다.

 

(2) 커패시터 전압의 밸런싱

플라잉 커패시터가 제대로 작동하려면 전압이 출력 전압의 절반이어야 한다. 

이를 달성하기 위해서는 제한이 필요하다. 이는 작동 모드를 변경하여 수행할 수 있다.

 

(3) 플라잉 커패시터의 사전 충전

사용하는 트랜지스터의 모든 제어 신호가 낮을 경우 플라잉 커패시터 전압을 조절할 수 없다. 

이 작업에서는 안전한 측면에서 플라잉 커패시터 전압을 유지 해야한다. 

반도체의 과전압을 제거하지 못하면 시스템에 치명적인 오류가 발생할 수 있다.

 

제어 신호가 없을 때(예: 시동 중) 플라잉 커패시터 부스터를 보호하기 위해 Mitsubishi Electric Corporation에서 제안한 방법이 있다 .

 

모든 트랜지스터가 OFF일 때 두 가지 작동 모드가 있다.

1) 입력이 인가되고 출력이 입력과 같을 때(예: 시작)

2) 입력이 0이고 출력이 그렇지 않을 때. 

예를 들어, 하나의 스트링이 회로에 연결되지 않고 다른 부스터가 작동할 때 이런 일이 발생한다. 

두 경우 모두 플라잉 커패시터의 전압은 0이고 두 트랜지스터의 전압 공유는 정의되지 않는다. 

반도체의 전압 레벨을 breakdown 전압 아래로 유지하려면 추가 밸런싱을 사용해야 한다.

 

시작하는 동안 전류는 두 개의 다이오드를 통해 흐르고 출력 커패시턴스를 충전한다. 

이 경우 출력 전압은 입력 전압과 같고 플라잉 커패시터 전압은 0입니다. 

이것은 lower switch에 위험하다. 

이 문제를 해결하려면 전류가 플라잉 커패시터도 충전할 수 있는 다른 전류 경로를 추가해야 한다. 

이를 위해 음극이 용량성 전압 분배기에 연결되어야 하는 다이오드를 사용할 수 있다.

여기서 플라잉 커패시터의 하단 지점은 DC 링크 전압의 절반에서 고정된다. 

 

(4)세라믹 커패시터의 이점

세라믹 커패시터는 플라잉 커패시터로서 많은 이점을 제공한다. 

다른 electrolytic capacitor와 달리 비극성 장치이며 다른 electrostatic capacitor유형 에 비해 높은 정전 용량 및 전압 범위를 제공한다.

• 고유전율:  세라믹 커패시터는 작은 패키지에 많은 양의 에너지를 저장할 수 있습니다.
• 비극성 커패시터: 세라믹 커패시터는 비극성 장치이므로 전압 극성은 문제가 되지 않습니다.
• 낮은 등가 직렬 저항(ESR) :  세라믹 커패시터는 에너지를 빠르고 효율적으로 전달할 수 있습니다.
• 크기 및 수명:  세라믹 커패시터는 작고 가벼우며 수명이 길어 인버터의 크기와 무게를 줄이는 데 도움이 되므로 소형 전자 장치에 사용하기에 이상적입니다.
• 전송 속도:  세라믹 커패시터는 인버터의 서로 다른 레벨 간에 에너지를 빠르게 전송할 수 있어 손실을 줄이고 시스템의 전반적인 효율성을 개선하는 데 도움이 됩니다.

 

 

 

+출처

https://passive-components.eu/flying-capacitors-explained/

 

+참고논문

Vincotech_TP_Solar_The_Advantages_and_Operation_of_Flying_Capacitor_Inverter_2020.pdf

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