The purpose of this study is to examine the cause of damage to electrolytic capacitors and to present the heat generation mechanism in order to prevent the occurrence of similar problems. From the analysis results of electrolytic capacitors collected from accident sites, the fire causing area can be...
The purpose of this study is to examine the cause of damage to electrolytic capacitors and to present the heat generation mechanism in order to prevent the occurrence of similar problems. From the analysis results of electrolytic capacitors collected from accident sites, the fire causing area can be limited to the primary power supply for the initial accident. From the tests performed by applying overvoltage, surge, etc., it is thought that the fuse, varistor, etc., are not directly related to the accidents that occurred. The analysis of the characteristics using a switching regulator showed that the charge and discharge characteristics fell short of standard values. In addition, it is thought that heated electrolytic capacitors caused thermal stress to nearby resistances, elements, etc. It can be seen that the heat generation is governed by the over-ripple current, application of AC overvoltage, surge input, internal temperature increase, defective airtightness, etc. Therefore, when designing an electrolytic capacitor, it is necessary to comprehensively consider the correct polarity arrangement, appropriate voltage application, correct connection of equivalent series resistance(ESR) and equivalent series inductance(SEL), rapid charge and discharge control, sufficient margin of dielectric tangent, etc.
The purpose of this study is to examine the cause of damage to electrolytic capacitors and to present the heat generation mechanism in order to prevent the occurrence of similar problems. From the analysis results of electrolytic capacitors collected from accident sites, the fire causing area can be limited to the primary power supply for the initial accident. From the tests performed by applying overvoltage, surge, etc., it is thought that the fuse, varistor, etc., are not directly related to the accidents that occurred. The analysis of the characteristics using a switching regulator showed that the charge and discharge characteristics fell short of standard values. In addition, it is thought that heated electrolytic capacitors caused thermal stress to nearby resistances, elements, etc. It can be seen that the heat generation is governed by the over-ripple current, application of AC overvoltage, surge input, internal temperature increase, defective airtightness, etc. Therefore, when designing an electrolytic capacitor, it is necessary to comprehensively consider the correct polarity arrangement, appropriate voltage application, correct connection of equivalent series resistance(ESR) and equivalent series inductance(SEL), rapid charge and discharge control, sufficient margin of dielectric tangent, etc.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 일반적인 가전 및 영상 기기 등에 적용된 전해 커패시터의 소손 원인을 규명하고 발열 메커니즘을 제시함에 따라 유사사고(또는 재해) 예방을 위한 과학적 근거로 확보하는데 있다.
, China)의 설계 정전용량은 180 µF(±20%)이며, 사용 온도는 85℃ 이하이다. 저압용 커패시터로 사용 전압은 400 V 이하이며, 시스템에 적용된 목적은 시스템 전원의 평활을 위한 것이다. 전해 커패시터 상부의 방폭캡이 탄화되었고, 인접한 반도체 소자의 방열판 역시 오염된 것을 알 수 있다.
Edition)으로 전해 커패시터의 표준 정규 분포 특성을 나타낸 것이다. 정규분포의 검증은 수집된 데이터가 정규분포의 가정을 만족하는지 여부를 확인하기 위함이다. 정규분포 해석은 관측된 차이가 큰 경우에 적용되는 Anderson-Daring method를 적용하여 오차를 최소화하였다12,14).
제안 방법
가전 및 영상 기기 등에 사용되는 전해 커패시터의 소손 원인을 규명하기 위해 소손패턴, 공정능력 평가, 트랜스 포화점에 대한 전류 상한치 평가 등을 분석하여 다음과 같은 결과를 얻었다.
이론/모형
정규분포의 검증은 수집된 데이터가 정규분포의 가정을 만족하는지 여부를 확인하기 위함이다. 정규분포 해석은 관측된 차이가 큰 경우에 적용되는 Anderson-Daring method를 적용하여 오차를 최소화하였다12,14). 표준편차는 2.
성능/효과
1) 사고 제품의 실체분석에서 최초의 사고는 1차측 전원으로 발화 영역을 한정할 수 있었다.
2) 과전압 및 서지 등에 대한 재현 실험을 통해 퓨즈, 바리스터 등은 사고와 직접적인 관련성이 없는 것으로 판단된다.
3) 전해 커패시터의 공정 능력 특성 해석에서 충전 및 방전 특성 등이 기준치(180)에 미달하는 것으로 확인되었다.
4) 정상 제품의 리플전류는 제품 이력에서 실효전류는 1.35 A로 명기되어 있으나 사고가 발생한 부품을 수거하여 리플전류를 측정한 결과 실효전류는 1.5 A로 확인된 것으로 보아 설계 여유가 부족한 것으로 판단된다.
5) 전해 커패시터에서 발열이 발생하는 경우 인접한 저항 및 소자 등에도 반복적인 열적 스트레스가 인가될 수 있고 시스템의 급격한 온도 상승으로 폭발이 발생할 수 있다.
가전 및 영상 기기에 적용되는 전해 커패시터의 발화 메커니즘 분석에서 전해 커패시터의 설계 여유, 절연특성, 등가직렬저항 및 등가직렬인덕턴스, 충전 및 방전 특성 등 다양한 요소가 상호 연관되어 있는 것을 알 수 있다. 또한 과전류 검출 저항의 특성 변화가 스위칭 IC의 Source part로 유입되어 내부의 절연파괴(Drain 포함)를 초래한 것으로 발화 원인에 대한 진행과정을 설명할 수 있다.
따라서 본 시스템에 적용된 전해 커패시터는 이론 정전용량보다 50 µF 정도 적은 것이 사용됨에 따라 시간의 경과에 따라 반복적인 스트레스로 열화(劣化)가 가속된 것으로 판단된다.
사고 제품과 동일한 사양의 전해 커패시터 특성을 측정한 결과 정격 입력의 커패시터 인가전압을 입력 전압으로 나눈 값(R)은 65 Ω, 정격 입·출력시의 순간 정전 유지시간(t)는 404 ms, 입력 최저보증전압 Ein(min)은 220 V, 정격입력전압 Ein(man)은 57 V 등을 나타냈다.
전해 커패시터를 시스템에 적용할 때 극성을 반대로 연결하면 발열에 의한 파괴 또는 화재 발생 등을 예측할 수 있고, 인가전압은 정격전압의 60~80%에서 사용하는 것이 최적의 성능을 나타낸다. 또한 리플전류 및 등가직렬저항(ESR; Equivalent Series Resistance) 등에 의한 열이 발생하여 커패시터 내부에 가스가 발생하게 되므로 시간의 경과에 따라 충전된 전해액의 분해 및 소비가 일어나고 정전용량이 감소하게 된다.
전해 커패시터의 리플전류 분석은 커패시터의 발열온도 및 상용주파수 등의 해석으로 소자의 설계 여유(derating)를 확인하는 방법이다4) . 정상 제품의 리플전류(25℃ 기준)는 제품 이력에서 실효전류는 1.35 A로 명기되어 있으나 사고가 발생한 부품을 수거하여 리플전류를 측정한 결과 실효전류는 1.5 A로 확인되었다. 즉, 제품 사양에서 제시하고 있는 값보다 많은 전류가 흘렀다는 것은 설계 여유가 부족하여 발열이 지속적으로 발생했음을 의미하며 사고와 밀접한 관계가 있었음을 예측할 수 있다12).
정상 제품의 평균 정전용량(Cs) 은 166.70 µF, 직렬등가저항(ESR; Equivalent Serial Resistance)은 474.2 Ω, 유전 정접(Tan δ)은 0.06 등을 나타냈으나 사고가 발생한 제품의 정전용량은 6 µF, ESR은 737 Ω, Tan δ은 3.32 등을 나타냈다.
후속연구
따라서 가전 및 영상 기기 등에 적용되는 전해 커패시터를 설계할 때의 고려 사항은 정확한 극성의 적용, 적절한 전압의 인가, 적절한 ESR 및 ESL의 적용, 급속한 충전 및 방전의 제어, 충분한 유전정접 여유(margin) 확보 등을 종합적으로 고려할 필요가 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
정류 회로를 이용하여 직류로 변환된 전기의 단점은?
대부분의 가전 및 영상 기기는 시스템의 신뢰성을 높이기 위해 상용 교류 전원을 공급받아 정류 회로를 이용하여 직류로 변환된 전기를 이용한다. 그러나 정류된 직류에는 필연적으로 맥류(불규칙한 파형)가 포함되어 시스템의 오동작 요인으로 작용한다. 즉, 맥류의 노이즈를 제거하기 위해 적용되는 소자가 전해 커패시터 이다.
대부분의 가전 및 영상 기기가 시스템 신뢰성을 높이기 위해 사용하는 것은?
최근에 가전 및 영상 기기 등에 적용되는 커패시터, 저항, 인덕터 등은 기존의 소자에 비해 부피 및 에너지 손실이 적어 시스템을 소형으로 제작할 수 있게 되었다. 대부분의 가전 및 영상 기기는 시스템의 신뢰성을 높이기 위해 상용 교류 전원을 공급받아 정류 회로를 이용하여 직류로 변환된 전기를 이용한다. 그러나 정류된 직류에는 필연적으로 맥류(불규칙한 파형)가 포함되어 시스템의 오동작 요인으로 작용한다.
가전 기술의 비약적인 발달에 밑거름이 된 것은?
가전 기술의 비약적인 발달의 이면에는 반도체소자(IC)의 출현 및 전력용 디바이스의 소형화 등이 있었기에 가능하였다. 최근에 가전 및 영상 기기 등에 적용되는 커패시터, 저항, 인덕터 등은 기존의 소자에 비해 부피 및 에너지 손실이 적어 시스템을 소형으로 제작할 수 있게 되었다.
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