메탈화 필름 캐패시터의 SST에서의 설계 및 선택

고체 변압기(SST)에서 DC 링크 커패시터는 필수적인 주요 구성 요소입니다. 그 주요 기능은 DC 링크에 안정적인 전압 지원을 제공하고 고주파 리플 전류를 흡수하며 에너지 버퍼 역할을 하는 것입니다. 그 설계 원칙과 수명 관리는 시스템의 전체 효율성과 신뢰성에 직접적인 영향을 미칩니다.

I. 설계 우선순위
DC 링크 커패시터를 설계하는 것은 전기 성능, 열 관리, 그리고 신뢰성 사이의 균형을 맞추는 시스템 수준의 엔지니어링 작업입니다.

• 정확한 용량 계산: 용량 값은 "더 크면 더 좋다"가 아닙니다. 허용 가능한 DC 측 전압 리플—특히 3상 SPWM 정류기에서 일반적인 두 번째 고조파 성분—과 허용 가능한 전압 하락 계수에 따라 결정되어야 합니다. 또한, 현대 고체 변압기(SSTs)의 작동 주파수가 증가함에 따라 고주파 리플 전류는 설계 시 고려해야 하는 중요한 요소가 되었습니다. 유용한 참고 자료로 중국 전력 연구원이 제안한 비대칭 작동 조건 기반 설계 방법이 있습니다.

• 멀티피직스 공동 설계: 고성능 커패시터 설계는 결합된 전기-열-자기 효과를 통합적으로 고려해야 합니다. 예를 들어, 내부 구성 요소의 기하학적 구조와 배치는 등가 직렬 저항(ESR)과 열 저항을 최소화하여 효율적인 열 방출을 보장하고 국부 과열로 인한 노후화를 방지해야 합니다.

II. 수명 관리 전략
커패시터 수명 연장과 잔여 유용 수명(RUL)의 정확한 예측은 전체 시스템 신뢰성 향상을 위해 중요합니다.

• "수동 교체"에서 "능동 관리"로: 충칭 대학의 연구진은 수명 연장을 실시간 건강 모니터링과 통합하는 혁신적인 접근법을 제안했습니다. 커패시터 건강 지표(예: ESR)의 고주파 리플 전류에 대한 민감도를 활용하여 실시간 노후 평가가 가능해집니다. 또한, 하이브리드 DC 링크에서 병렬 커패시터 뱅크 간의 자발적인 전류 균형을 가능하게 하는 회로 수준의 설계는 총 서비스 수명을 크게 연장할 수 있습니다.

• 심층적인 고장 메커니즘 분석: 고조파는 커패시터 수명을 심각하게 저하시킵니다. 연구 결과, 고조파 함량이 높으면 금속화 필름의 전기화학적 부식(초기 용량 손실을 가속화)을 가속시키고 폴리프로필렌 절연 필름의 화학 결합을 파괴하여 절연 성능을 저하시킬 수 있습니다. 따라서 수명 예측 모델은 DC 전기장과 고조파 스트레스의 상승 효과를 통합해야 합니다.

III. 선택 지침
표준 데이터 시트 매개변수 외에도, 다음 사항들이 구성 요소 선택 시 주의해야 합니다:

• 기술 경로: 유연한 HVDC 전송과 같은 고신뢰성 응용 분야에서는 자기 치유 능력과 장기간 작동 수명 덕분에 금속화 필름 커패시터가 주요 선택이 되었습니다. XD 그룹과 같은 중국 제조사들은 이 기술을 마스터하여 높은 전압/전류 내구성과 낮은 임피던스를 제공하는 제품을 출시하고 있습니다.

• 국내화 추세: 특히 지정학적 또는 무역 긴장 상황에서 수입 의존으로 인한 가격 급등이나 부족을 방지하기 위해 DC 링크 커패시터의 국내 대체는 명확한 전략적 방향입니다. 국내화는 비용을 줄이고 공급망 위험을 완화합니다.

IV. 결론

• 시스템 중심 설계: 커패시터를 단독 구성 요소로 취급하지 마십시오. 대신 전체 SST 시스템 내에 포함시키고 전기, 열, 자기 영역에서 공동 시뮬레이션 및 최적화를 수행하십시오.

• 최첨단 접근법: 연구의 최전선은 수동 커패시터 설계에서 "능동" 아키텍처와 함께 건강 모니터링 기능을 내장하고, 다중 포트 SST의 DC 링크 커패시터를 위한 고급 통합 설계 방법으로 변화하고 있습니다. 이를 통해 시스템의 지능성과 신뢰성이 크게 향상됩니다.

• 엄격한 검증: 임무 중점 응용 프로그램의 경우, 실제 운영 조건—특히 결합된 DC 전압과 고조파 스트레스—아래에서 가속 노령화 테스트를 수행하여 수명 모델과 구성 요소 선택을 검증해야 합니다.