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문제 정의
- 따라서 본 논문에서는 이러한 요구조건을 갖는 광대역 설비용 전원선 EMI 필터 의 설계에 대해 기술하였다. 설비용 EMI 필터의 종류와 구조, 그리고 고주파에서 인덕터, 커패시터 등의 필터 구성 소자의 특성을 분석하였으며, 이를 토대로 기생 성분의 영향을 고려한 필터의 설계 및 제작 방법을 제시 하였다.
- 본 논문에서는 14kHz～10GHz 대역에서 100dB 이상의 삽입 손실을 갖는 광대역 설비용 전원선 EMI 필터의 설계에 대하여 기술하였다. 설비용 EMI 필터의 설계를 위해서 먼저 EMI 필터 설계를 위한 필터의 특징과 구조에 대한 설명하였고, 필터의 설계 방법에 대해 기술하였다.
제안 방법
- 최종적으로 광대역 설비용 EMI 필터를 설계 및 제작하여 실험을 수행하였다. 3단 LC 필터와 피더스루 필터 이용하여 필터를 설계 및 구현하였다. 실험 결과, 14kHz-8.
- [5]본 설계 예에서는 출력 전류가 20A 이므로 부하 임피던스는 약간의 여유를 두어 RL≃ 10Ω으로 설정하였으며, 입력 임피던스 역시 RS≃ 10Ω으로 두었다.
- 설비용 EMI 필터의 설계를 위해서 먼저 EMI 필터 설계를 위한 필터의 특징과 구조에 대한 설명하였고, 필터의 설계 방법에 대해 기술하였다. 그리고 필터의 구성을 위한 인덕터와 커패시터의 설계와 주파수 특성에 대한 분석을 실시하였다. 커패시터의 경우 리드의 인덕턴스에 의해 수십에서 수MHz 범위에서 공진이 일어나며 이로 인해 필터의 감쇄 특성에 영향을 미친다.
- 차단 주파수가 낮을 경우 인덕터와 커패시터의 값이 매우 커지게 되므로 실제적인 적용이 어렵다. 따라서 본 논문에서는 3단의 LC 필터를 고려하였다.
- 본 논문에서는 설비용 EMI 필터의 설계를 위해 3단 LC 필터를 사용하였다. 그림 11은 설계된 필터의 구조를 나타낸 그림이다.
- 따라서 고주파에서는 피더스루 커패시터 또는 피더스루 필터를 이용하여 원하는 삽입 손실을 얻을 수 있다. 본 논문에서는 피더스루 필터를 출력단에 적용하였으며 사용된 피더스루 필터의 감쇄 특성은 그림 15와 같다.
- 설비용 EMI 필터의 종류와 구조, 그리고 고주파에서 인덕터, 커패시터 등의 필터 구성 소자의 특성을 분석하였으며, 이를 토대로 기생 성분의 영향을 고려한 필터의 설계 및 제작 방법을 제시 하였다. 본 연구에 대한 타당성을 검증하기 위해 14kHz~10GHz의 대역에서 100dB 이상의 삽입 손실을 갖는 필터를 설계하였다. 또한 실제 제작과 실험을 수행하였으며, 실험 결과의 비교 분석을 통해 본 논문에서 기술한 분석과 설계 방법이 타당함을 입증하였다.
- 본 논문에서는 14kHz～10GHz 대역에서 100dB 이상의 삽입 손실을 갖는 광대역 설비용 전원선 EMI 필터의 설계에 대하여 기술하였다. 설비용 EMI 필터의 설계를 위해서 먼저 EMI 필터 설계를 위한 필터의 특징과 구조에 대한 설명하였고, 필터의 설계 방법에 대해 기술하였다. 그리고 필터의 구성을 위한 인덕터와 커패시터의 설계와 주파수 특성에 대한 분석을 실시하였다.
- 따라서 본 논문에서는 이러한 요구조건을 갖는 광대역 설비용 전원선 EMI 필터 의 설계에 대해 기술하였다. 설비용 EMI 필터의 종류와 구조, 그리고 고주파에서 인덕터, 커패시터 등의 필터 구성 소자의 특성을 분석하였으며, 이를 토대로 기생 성분의 영향을 고려한 필터의 설계 및 제작 방법을 제시 하였다. 본 연구에 대한 타당성을 검증하기 위해 14kHz~10GHz의 대역에서 100dB 이상의 삽입 손실을 갖는 필터를 설계하였다.
- 최종적으로 광대역 설비용 EMI 필터를 설계 및 제작하여 실험을 수행하였다. 3단 LC 필터와 피더스루 필터 이용하여 필터를 설계 및 구현하였다.
- 인덕터 코어는 Arnold사의 MPP Core A488752를 사용하였으며, 이 코어의 비 투자율은 μr = 60이다. 필요한 인덕턴스를 얻기 위해 3개의 코어를 적층하여 사용하였다. 앞 장에서 설명한 바와 같이 필터의 저주파 공진 주파수를 높이기 위해서는 인덕터 제작 시 기생 커패시턴스를 최소화해야 한다.
대상 데이터
- 5GHz의 대역폭을 가진 RF 네트워크 분석기, 차단 주파수 부근의 저주파 특성을 측정하기 위한 DC～15MHz 대역의 AP-200 저주파 주파수 응답 분석기가 사용되었다. RF 신호 측정을 위한 케이블로는 N-type 커넥터를 가진 RG-214U 케이블을 사용하였다.
- 필터의 차단 주파수와 차수는 필터의 요구 삽입 손실에 의해 결정된다. 본 논문의 대상인 설비용 전원선 EMI 필터는 14kHz에서 100dB 이상의 삽입손실을 가져야 하므로 2단 또는 3단의 LC 필터로 구성할 수 있다. 2단 LC 필터는 80dB/dec의 감쇄 비를 가지며 3단 LC 필터는 120dB/dec 의 감쇄 비를 가진다.
- 실험을 위한 측정 시스템의 구성은 그림 17과 같으며, 9kHz～8.5GHz의 대역폭을 가진 RF 네트워크 분석기, 차단 주파수 부근의 저주파 특성을 측정하기 위한 DC～15MHz 대역의 AP-200 저주파 주파수 응답 분석기가 사용되었다. RF 신호 측정을 위한 케이블로는 N-type 커넥터를 가진 RG-214U 케이블을 사용하였다.
- 인덕터 코어는 Arnold사의 MPP Core A488752를 사용하였으며, 이 코어의 비 투자율은 μr = 60이다.
- 필터는 LC의 구성 형태에 따라 π형, T형, L형 필터 등이 있으며, 감쇄비와 전원 및 부하의 임피던스를 고려하여 필터의 구조를 선정한다.
- 그림 2는 설비용 전원선 EMI 필터의 구성 예를 나타내고 있다. 회로의 구성은 고차 LC 필터, 피더스루 커패시터 (Feedthrough capacitor), 블리드 저항 (Bleed resistor)로 구성된다. 고차 LC 필터는 비이패스 커패시터 C1과 인덕터 L1이 여러 단 직결된 회로 구성을 가지며, 저주파에서 높은 삽입손실을 얻기 위해 사용된다.
이론/모형
- 버터워스 필터의 경우 통과 대역에서 편평 (Flat)한 주파수 응답 특성을 얻을 수 있으나, 각단의 인덕턴스 값의 차이가 크고 필요한 최대 인덕턴스 값이 커서 인덕터 설계에 어려움이 있다. 따라서 본 논문에서는 체비셰프 필터 설계 방법을 사용하였다. 체비셰프 필터의 통과대역 리플을 3dB로 설계하면, 참고문헌[5]의 정규화 된 설계 테이블에서 인덕터와 커패시터의 정규화 된 값은 다음과 같이 얻어진다.
성능/효과
- 실험 결과 MHz 이하의 주파수 대역에서는 LC 필터의 특성과 기생 성분의 영향이 필터의 특성을 결정하는 가장 큰 요인으로 작용하였다. 그리고 GHz 범위의 고주파 대역에서 100dB 수준의 삽입 손실을 얻기 위해서는 필터의 차폐 성능이 매우 중요함을 알 수 있었다.
- 본 연구에 대한 타당성을 검증하기 위해 14kHz~10GHz의 대역에서 100dB 이상의 삽입 손실을 갖는 필터를 설계하였다. 또한 실제 제작과 실험을 수행하였으며, 실험 결과의 비교 분석을 통해 본 논문에서 기술한 분석과 설계 방법이 타당함을 입증하였다.
- 5GHz 이며 전 범위에서 100dB 수준의 삽입 손실을 얻을 수 있음을 볼 수 있다. 실험 결과 MHz 이하의 주파수 대역에서는 LC 필터의 특성과 기생 성분의 영향이 필터의 특성을 결정하는 가장 큰 요인으로 작용하였다. 그리고 GHz 범위의 고주파 대역에서 100dB 수준의 삽입 손실을 얻기 위해서는 필터의 차폐 성능이 매우 중요함을 알 수 있었다.
- 3단 LC 필터와 피더스루 필터 이용하여 필터를 설계 및 구현하였다. 실험 결과, 14kHz-8.5GHz 범위에서 100dB이상의 감쇄 특성을 가질 수 있음을 입증하였다.
- 사용된 AP-200 저주파 주파수 응답 분석기의 신호측정 범위가 -100dB 여서 측정된 데이터를 -100dB 까지 표시하였다. 측정 결과 14kHz에서 삽입 손실이 100dB 이상이 됨을 알 수 있다.
후속연구
- 본 논문의 연구결과는 외부의 EMI에 민감한 컴퓨터 센터와 같은 설비의 안전과 정보보호 등에 활용될 수 있을 것이다. 추후과제로, 본 논문에서는 실험 시설의 제한으로 정격 부하에서의 필터 특성분석이 이루어지지 않았다.
- 본 논문의 연구결과는 외부의 EMI에 민감한 컴퓨터 센터와 같은 설비의 안전과 정보보호 등에 활용될 수 있을 것이다. 추후과제로, 본 논문에서는 실험 시설의 제한으로 정격 부하에서의 필터 특성분석이 이루어지지 않았다. 향후 MIL-STD-220 또는 CISPR 17 기준의 실험 시설을 구성하여 정격 부하가 인가된 상태에서 특성 분석이 이루어져야 할 것이다.
- 추후과제로, 본 논문에서는 실험 시설의 제한으로 정격 부하에서의 필터 특성분석이 이루어지지 않았다. 향후 MIL-STD-220 또는 CISPR 17 기준의 실험 시설을 구성하여 정격 부하가 인가된 상태에서 특성 분석이 이루어져야 할 것이다.
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