커패시터 선택을 위한 주요 매개변수 및 옵션 충전 전원 공급 장치
준정전력 커패시터 충전 전력 소모품 사례 연구
작성자: Isaac Zuker CTO, Advice Electronics Ltd. 예상 읽기 시간: 9분
- 커패시터 충전 전원 공급 장치는 미용 의학용 IPL 또는 펄스 레이저와 같은 펄스 전력 애플리케이션과 다양한 의료 또는 산업용 애플리케이션을 위한 펄스 레이저를 구동하는 데 사용되며, 다른 많은 애플리케이션 분야에서도 사용됩니다.
- 커패시터 충전 전원 공급 장치를 선택하기 위한 주요 매개변수. 어떤 커패시터 충전 전원 공급 장치를 선택하고 최종적으로 제품에 통합할지 결정하는 가장 중요한 매개 변수는 다음과 같습니다:
전기 매개변수
물리적 크기
신뢰성
가격
그중에서도 커패시터 충전기를 선택하는 주요 전기적 매개변수는 다음과 같습니다:
1. 출력 전력: 줄/초(또는 와트) 단위로 측정됩니다. 커패시터가 필요한 작동 전압으로 얼마나 빨리 충전되는지를 결정합니다.
2. 반복 속도: 커패시터를 분당 또는 초당 몇 번 충전할 수 있는지를 나타냅니다. 속도가 높을수록 커패시터 충전 전원 공급 장치가 제공하는 평균 전력량이 높아집니다.
3. 출력 전압 정격: 로드 커패시터가 충전될 전압을 나타냅니다.
4. 입력 누설 전류: 접지로의 누설 전류를 나타내는 안전 매개변수입니다. 예를 들어, 대부분의 의료용 애플리케이션의 경우 누설 전류는 일반적으로 장치 등급 및 필요한 인증에 따라 0.5mA 이하여야 합니다.
5. 사용자 인터페이스, 일반적으로 최소한 다음을 포함합니다: 충전 전원 공급 장치를 활성화하기 위한 활성화/비활성화 신호, 충전 종료 시 커패시터 전압을 설정하기 위한 'Vset' 아날로그 제어 신호, 커패시터가 완전히 충전되었음을 나타내는 '충전 종료' 신호, 오작동을 나타내는 알람 신호가 있습니다.
커패시터 충전 전원 공급 장치에 사용되는 기술은 위의 모든 매개 변수, 특히 물리적 크기, 신뢰성 및 가격에 영향을 미칩니다.
이 백서에서는 널리 사용되는 표준 정전류 커패시터 충전 방식에 대해 설명하고, 이를 더 작은 크기, 더 안정적이고 비용 효율적인 준정전류(QCP) 커패시터 충전 전원 공급 장치를 가능하게 하는 Advice Electronics Ltd의 방식과 비교해 보겠습니다. 표준 정전류 커패시터 충전 방식.
표준 정전류 커패시터 충전 방식
시중에 나와 있는 대부분의 커패시터 충전 전원 공급 장치는 1 또는 2KJoule/Sec 이상의 범위에서 정전류 커패시터 충전 방식을 사용하여 제작됩니다.
간단한 이론: 커패시터의 전압(볼트)은 커패시터에 전달되는 전하(쿨롱 단위)를 커패시터의 커패시턴스(패럿 단위)로 나눈 값과 같습니다. 커패시터에 전달되는 전하량은 충전 기간에 따른 전류의 적분과 같습니다. 이 경우 전류가 일정하므로 커패시터의 선형 전압 충전 프로파일을 얻을 수 있습니다.
어떤 순간에 부하(이 경우 커패시터)에 전달되는 전력은 출력 전압에 출력 전류를 곱한 값에 비례하고, 출력 전류는 일정하고 커패시터 전압은 시간에 따라 선형적으로 증가하므로(0에서 시작) 충전 전원 공급 장치가 제공하는 출력 전력은 처음에는 0이며 충전 과정에 따라 선형적으로 증가한다는 결론을 내릴 수 있습니다.
예를 들어 정전류 충전 전원 공급 장치를 사용하여 초당 3,000줄의 에너지를 전달하고자 한다고 가정해 보겠습니다. 충전 프로세스가 시작될 때 커패시터의 전압은 0이며, 따라서 충전 전원 공급 장치가 커패시터에 전달하는 전력도 0이고, 충전 프로세스가 완료될 때까지(즉, 커패시터에 원하는 전압에 도달할 때까지) 선형적으로 증가합니다.
커패시터 전압은 충전 기간에 따라 선형적으로 증가하므로 그림 1과 같이 정전류 커패시터 충전 전원 공급 장치(파란색 선)가 제공하는 출력 전력도 증가합니다. 커패시터에 전달되는 에너지(줄 단위)는 아래 그림 1의 파란색 선 아래 면적과 같습니다(세로축은 와트, 가로축은 mSec.). 초당 평균 3,000줄(주황색 선)의 에너지가 필요하고 전원 공급 장치에서 제공하는 충전 전력은 0에서 시작하여 선형적으로 증가하므로 아래 그림 1과 같이 전원 공급 장치가 제공하는 최종 최대 충전 전력은 초당 6,000줄(6,000W)입니다.
그림 1: 정전류 커패시터 충전기
이 접근 방식은 간단하고 정전류 제어 루프로 구성된 전원 공급 장치 구성이 간단합니다. 그러나 이 접근 방식은 전원 공급 장치의 전력 구성 요소(예: 전력 반도체, 전력 변압기, 전력 초크)가 애플리케이션에 필요한 전력의 두 배 이상을 견딜 수 있도록 설계되어야 하기 때문에 전력 구성 요소의 활용도가 떨어지며, 그 결과 안정성이 떨어지거나 장치가 더 크고 비용이 많이 들거나, 두 가지가 결합된 경우가 종종 발생합니다.
준정전력(QCP) 커패시터 충전 전원 공급 장치
이 접근 방식의 주요 가정은 커패시터에 일정한 전력을 공급할 수 있다면 충전 과정에서 3,000W를 공급하여 초당 평균 3,000줄의 에너지를 공급할 수 있다는 것입니다. 이는 표준 정전류 충전 전원 공급 장치에 필요한 피크 전력의 절반이므로 더 작은 크기, 더 안정적이고 비용 효율적인 커패시터 충전 전원 공급 장치를 얻을 수 있습니다.
이를 위해 충전 기간 동안 커패시터 전압과 전류가 어떻게 작동해야 하는지 계산해 보겠습니다.
(IX)에서 일정한 전력을 공급하면서 커패시터를 충전할 수 있다면 커패시터에 흐르는 전압은 경과 시간의 제곱근에 비례하여 증가한다는 것을 알 수 있습니다.
아래 그림 2는 3,000Joul/S(또는 3,000W)의 일정한 전력에서 500V로 충전되는 1,200uF 커패시터의 전압 시뮬레이션을 보여줍니다. 세로(전압) 축은 볼트 단위이고 가로(시간) 축은 mSec 단위입니다. 시뮬레이션에서 얻은 충전 시간은 50mSec이며, 이는 커패시터에 저장된 에너지를 공급된 전력으로 나누어 얻은 다음 계산된 충전 시간과 일치합니다:
그림 2: 정전원 충전 중 시뮬레이션된 커패시터 전압
(X)에서 일정한 전력으로 커패시터를 충전할 수 있다면 충전 과정 시작 시(t=0)의 전류는 무한대이며 시간이 지남에 따라 감소한다는 것을 알 수 있습니다.
아래 그림 3은 일정한 전력으로 충전되는 동안 커패시터에 전달되는 전류(암페어 단위)의 시뮬레이션 결과를 보여줍니다(가로축은 mSec 단위). 첫 번째 순간(첫 번째 밀리초는 표시되지 않음)에는 전류가 무한대이며 커패시터가 완전히 충전될 때까지 전류가 꾸준히 감소합니다. 커패시터가 충전되면 전류는 0으로 떨어지고(50mSec 이후) 전압은 일정하게 유지됩니다.
그림 3: 정전원 충전 중 시뮬레이션된 커패시터 전류
충전 전원 공급 장치의 전력 하드웨어를 최적으로 활용하기 위한 실질적인 솔루션은 커패시터 충전기의 최대 출력 전력에 도달할 때까지 최대 정전류로 커패시터 충전을 시작한 다음 커패시터에 원하는 전압에 도달할 때까지 계속 정전류로 커패시터를 충전하는 것입니다.
이 프로세스는 아래 그림 4에 나와 있으며, 준정전류(QCP) 커패시터 충전 전원 공급 장치로 충전할 때 커패시터에 흐르는 전압의 시뮬레이션 결과를 보여줍니다(세로 축은 볼트, 가로 축은 mSec.). 시뮬레이션 매개 변수는 다음과 같습니다:
1. 커패시터 값: 1,200uF
2. 충전 종료 시 전압: 500V
3. 충전기 전류 제한: 22A
4. 일정한 전력 공급: 3,250W
처음 7mS 동안 충전 전류는 22A로 제한되어 선형 전압 증가를 보이며, 그 후 커패시터에 전달되는 충전 전력은 완전 충전(500V 기준)에 도달할 때까지 일정하게 유지됩니다(3,250W 기준).
그림 4: 준정전원 충전 중 시뮬레이션된 커패시터 전압
아래 그림 5는 충전 기간 동안 QCP 커패시터 충전 전원 공급 장치가 커패시터에 전달하는 충전 전류를 보여줍니다(세로 축은 암페어, 가로 축은 초 단위). 처음 7mS 동안 충전 전류는 22A로 제한되며 충전 프로세스 중에 감소합니다.
그림 5: 준정전원 충전 중 시뮬레이션된 커패시터 전류
아래 그림 6은 정전류 충전 기간 동안 출력 전력이 처음 7mS 동안 0에서 최대 전력(3,250W)에 도달할 때까지 선형적으로 증가하다가 커패시터 전압이 원하는 전압(500V)에 도달할 때까지 일정하게 유지되다가 50mS 충전 후 0으로 떨어지는 과정을 보여줍니다 (세로축은 와트, 가로축은 mSec.).
그림 6: 준정전원 충전 시 시뮬레이션된 전력 공급량
아래 그림 7은 실제 QCP 커패시터 충전 전원 공급 장치(Advice Electronics, 모델 LCH-3000-500)로 얻은 충전 기간 동안 기록된 커패시터 전압의 오실로그램을 보여줍니다. 그림 7의 오실로그램은 오실로스코프 Agilent DSO7014B로 기록되었습니다.
그림 7: 준정전원 충전 중 측정된 커패시터 전압 오실로그램
그림 7에 표시된 측정 결과(50mS에서 0~500V로 충전된 커패시터)는 그림 4에 표시된 이론적 시뮬레이션 충전 곡선과 매우 잘 비교됩니다. 아래 그림 8에서 볼 수 있듯이 측정된 커패시터 전압(노란색, 이전 그림 7에 표시된 것처럼)의 스케일이 적절하게 조정되고 시뮬레이션된 준정전력(QCP) 충전 곡선(파란색, 이전 그림 4 표시)에 겹쳐지는 동안 약간의 오차를 제외하고는 거의 동일합니다.
그림 8: 시뮬레이션된 QCP 충전 곡선에 중첩된 측정된 커패시터 전압
두 가지 접근 방식을 실제로 비교하기
1,200uF 커패시터를 50mS에서 500V로 충전하려면 정전류 커패시터 충전 전원 공급장치는 6KW의 피크 전력을 공급해야 하지만(그림 1 참조), QCP 커패시터 충전 전원 공급장치는 3.25KW의 피크 전력을 공급해야 동일한 결과를 얻을 수 있습니다. 위의 논의에서 QCP 커패시터 충전 전원 공급 장치는 평균 필요한 출력 전력의 108%에 불과한 피크 전력을 공급해야 한다는 것을 알 수 있습니다. 정전류 커패시터 충전 전원 공급 장치는 평균 필요 출력 전력의 200%에 해당하는 피크 전력을 공급해야 하며, 이는 QCP 커패시터 충전 전원 공급 장치에 필요한 피크 전력의 약 2배에 해당합니다.
이 요소는 커패시터 충전 전원 공급 장치 설계, 크기, 신뢰성 및 비용에 큰 영향을 미칩니다. 효과적인 준정전류(QCP) 커패시터 충전 전원 공급 방식은 정전류 장치보다 훨씬 낮은 피크 전력으로 작동하면서 전력 구성 요소의 스트레스를 크게 줄이고 크기를 줄여 비용을 절감하고 안정성을 높일 수 있다는 결론을 내렸습니다.
그 결과 Advice Electronics의 LCH-XXX 커패시터 충전 전원 공급 장치 시리즈와 같이 더 작고 안정적이며 비용 효율적인 커패시터 충전 전원 공급 장치가 탄생했습니다.
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