본 논문에서는 고주파 회로 모델링을 이용하여 전기자동차의 LDC로부터 방출되는 전도성 전자파 잡음을 시스템-레벨에서 분석하였다. 관련 전도 방출의 주요 원인은 LDC에서 사용하는 펄스폭 변조 방식의 100 kHz 스위칭 동작에 기인하며, 이러한 전도 방출은 공통-임피던스 결합 및 유도성 결합을 통해 AM/FM 주파수 대역에서의 무선주파수 간섭을 유발한다. 이러한 문제를 분석하기 위해 LDC를 구성하고 있는 MOSFET과 고압 커패시터, 고전압 케이블과 버스 바에 대한 기본 회로는 물론, 각 부분에서 존재하는 기생 성분 및 비선형 특성을 해석하여 LDC 전체를 포함한 시스템-레벨의 고주파 등가회로 모델을 제안하였다. 이러한 모델을 이용하여 시뮬레이션과 측정을 비교하여 유사성을 검증하였다. 향후 이러한 접근 방법이 전기자동차의 전자파 적합성 설계에 효과적으로 사용될 수 있을 것으로 기대한다.
본 논문에서는 고주파 회로 모델링을 이용하여 전기자동차의 LDC로부터 방출되는 전도성 전자파 잡음을 시스템-레벨에서 분석하였다. 관련 전도 방출의 주요 원인은 LDC에서 사용하는 펄스폭 변조 방식의 100 kHz 스위칭 동작에 기인하며, 이러한 전도 방출은 공통-임피던스 결합 및 유도성 결합을 통해 AM/FM 주파수 대역에서의 무선주파수 간섭을 유발한다. 이러한 문제를 분석하기 위해 LDC를 구성하고 있는 MOSFET과 고압 커패시터, 고전압 케이블과 버스 바에 대한 기본 회로는 물론, 각 부분에서 존재하는 기생 성분 및 비선형 특성을 해석하여 LDC 전체를 포함한 시스템-레벨의 고주파 등가회로 모델을 제안하였다. 이러한 모델을 이용하여 시뮬레이션과 측정을 비교하여 유사성을 검증하였다. 향후 이러한 접근 방법이 전기자동차의 전자파 적합성 설계에 효과적으로 사용될 수 있을 것으로 기대한다.
In this paper, conducted emission from the LDC(Low-Side DC/DC Converter) of a HEV/EV was analyzed using high-frequency circuit modeling in system-level approach. The conducted emission by PWM process(100 kHz; Switching Frequency) can cause RFI(Radio-Frequency Interference) problems in the AM/FM freq...
In this paper, conducted emission from the LDC(Low-Side DC/DC Converter) of a HEV/EV was analyzed using high-frequency circuit modeling in system-level approach. The conducted emission by PWM process(100 kHz; Switching Frequency) can cause RFI(Radio-Frequency Interference) problems in the AM/FM frequency range. In order to mitigate this conducted emission, a high-frequency equivalent circuit model is proposed by analyzing the fundamental circuits, parasitic components in their parts and connections and non-linear characteristics of MOSFETs, high-power capacitors, inverters, motors, high-power cables, and bus bars which are composed of the LDC. Using these circuit models, results of both simulation and measurement were compared and similarities between them were verified. We are looking forward that this approach can be effectively used in the EMC design of HEV/EV.
In this paper, conducted emission from the LDC(Low-Side DC/DC Converter) of a HEV/EV was analyzed using high-frequency circuit modeling in system-level approach. The conducted emission by PWM process(100 kHz; Switching Frequency) can cause RFI(Radio-Frequency Interference) problems in the AM/FM frequency range. In order to mitigate this conducted emission, a high-frequency equivalent circuit model is proposed by analyzing the fundamental circuits, parasitic components in their parts and connections and non-linear characteristics of MOSFETs, high-power capacitors, inverters, motors, high-power cables, and bus bars which are composed of the LDC. Using these circuit models, results of both simulation and measurement were compared and similarities between them were verified. We are looking forward that this approach can be effectively used in the EMC design of HEV/EV.
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문제 정의
본 논문에서는 LDC 컨버터 스위칭 주파수에 대한 영향을 분석하고, 전기자동차의 각 시스템을 구성하는 전기회로부를 실제 동작 환경과 유사하게 모델링하였다. 참고문헌 [6]과 동일한 접근을 통해 LDC 시스템에 대한 전자파 적합성에 영향을 미칠 수 있는 요소와 제어 가능한 요소를 체계적으로 파악하는데 도움을 줄 수 있을 것으로 기대한다.
전기자동차에서 AM/FM 주파수 대역의 RFI 문제는 매우 심각하며, 이러한 문제의 주요 원인은 PWM 방식으로 동작하는 모터 구동 시스템(MDS)과 LDC로 크게 구분할 수 있다. 본 논문에서는 LDC의 전도 방출을 효과적으로 해석하는 데 사용될 수 있는 시스템 레벨의 고주파 회로 모델을 구하기 위해, FET와 고압 커패시터, 고전압 케이블과 버스 바에 대한 기본 회로는 물론, 각 부분에서 존재하는 기생 성분 및 비선형 특성을 해석하였다. 이러한 모델을 이용하여 LDC의 150 kHz～108 MHz 주파수 대역의 전도 방출 특성을 시뮬레이션하고, CISPR 25 규격에 따라 측정하였다.
본 논문에서는 고주파 노이즈의 근원이 되는 공통 모드 전압을 시스템 레벨로 해석할 수 있는 시뮬레이션 기법을 제시한다. 시뮬레이션으로 사용한 프로그램은 ANSYS사의 Simplorer와 Q3D를 이용하였다.
가설 설정
본 논문에서는 배터리 팩의 DC 고전압에 관하여 이상적인 DC 전압으로 가정하였다. 관련하여 자세한 회로도와 출력단에서의 전류 파형은 참고문헌[7]을 참조하기 바란다.
제안 방법
이것이 트랜스의 누설 인덕턴스와 출력 커패시터 사이의 공진을 이용하기 하기 때문에, 잡음으로 인하여 문제가 될 수 있으며 출력 트랜스의 패키지 형태에 따라 잡음 분포가 달라질 수 있다. LDC 시스템을 구성하는 모든 고전압 부품은 기생 저항 및 기생 인덕턴스, 기생 커패시턴스가 존재하며, 이는 중요한 노이즈 경로 및 주파수에 따른 임피던스 변동을 통해 전자파 노이즈 원을 발생시키므로, 보다 세분화하여 각 기생 성분의 고주파 특성을 분석 하였다. 기생 성분을 측정하기 위하여 그림 5와 같이 측정과 시뮬레이션을 이용하여 산출하였다.
고전압 커패시터의 기생 성분 값은 표 1에 나타냈었다. 고전압 필름 커패시터와 버스바 구조를 포함 하여 표 1의 변수들을 측정과 시뮬레이션을 통해 추출하였다.
앞에서 기술한 것처럼 LDC를 구성하는 기본 회로에 다양한 기생 성분을 모의하고, 기타 언급되지 않은 PCB 및 고전압 버스바 등은 Q3D를 이용하여 고주파 등가회로를 구성하였다. 또한, 공통 모드 전도전압을 측정하기 위한 LISN(Line Impedance Stability Network)을 CISPR 25 규정에 따라 고주파 등가 회로를 구성하여 추가하였다. 이러한 과정을 통해 구성된 각 부분의 고주파 등가회로 모델을 모두 결합하여 LDC에 대한 시스템-레벨 고주파 회로 모델을 구성하였다.
CM 코어의 모델링을 하기 위해서는 많은 어려움이 존재한다. 본 논문에서는 참고문헌 [8], [9]와 같이 CM 필터의 구조에 대한 기생 성분을 실험과 시뮬레이션을 이용하여 도출하였다. 그림 6은 이러한 내용을 보여주고 있다.
그리고 전기자동차용 저전압 충전용 LDC는 통상적으로 100 kHz의 PWM 파형을 사용한다. 본 논문에서는 회로 모델링을 위한 PWM 파형의 주파수를 100 kHz로 수행하였다.
또한, 공통 모드 전도전압을 측정하기 위한 LISN(Line Impedance Stability Network)을 CISPR 25 규정에 따라 고주파 등가 회로를 구성하여 추가하였다. 이러한 과정을 통해 구성된 각 부분의 고주파 등가회로 모델을 모두 결합하여 LDC에 대한 시스템-레벨 고주파 회로 모델을 구성하였다. 그림 7이 최종적인 LDC 전체 시스템에 관한 고주파 회로 모델이다.
본 논문에서는 LDC의 전도 방출을 효과적으로 해석하는 데 사용될 수 있는 시스템 레벨의 고주파 회로 모델을 구하기 위해, FET와 고압 커패시터, 고전압 케이블과 버스 바에 대한 기본 회로는 물론, 각 부분에서 존재하는 기생 성분 및 비선형 특성을 해석하였다. 이러한 모델을 이용하여 LDC의 150 kHz～108 MHz 주파수 대역의 전도 방출 특성을 시뮬레이션하고, CISPR 25 규격에 따라 측정하였다. 기존에는 시스템을 구성하는 각각의 전장품에 대한 단편적인 회로 모델링만 고려했지만, 이러한 시스템-레벨 해석 방법을 사용하면 LDC의 동작에 의한 전도성 전자파 잡음의 결합 메커니즘에 대해 체계적으로 이해하고, 나아가서 설계 초기단계에서부터 EMC에 민감한 설계 파라미터들을 점검 및 분석할 수 있을 것으로 판단된다.
대상 데이터
본 논문에서는 고주파 노이즈의 근원이 되는 공통 모드 전압을 시스템 레벨로 해석할 수 있는 시뮬레이션 기법을 제시한다. 시뮬레이션으로 사용한 프로그램은 ANSYS사의 Simplorer와 Q3D를 이용하였다. Simplorer의 경우, 전체적인 PWM 모터 구동 회로 구성 및 제어를 위해 사용되었으며, Q3D의 경우 케이블 및 각종 고전압 부품의 기생 성분 해석을 위해 사용되었다.
앞에서 기술한 것처럼 LDC를 구성하는 기본 회로에 다양한 기생 성분을 모의하고, 기타 언급되지 않은 PCB 및 고전압 버스바 등은 Q3D를 이용하여 고주파 등가회로를 구성하였다. 또한, 공통 모드 전도전압을 측정하기 위한 LISN(Line Impedance Stability Network)을 CISPR 25 규정에 따라 고주파 등가 회로를 구성하여 추가하였다.
후속연구
그림 7에서 시간영역의 파형을 회로 시뮬레이션을 통해 구하고, 이를 주파수 영역으로 FFT 하였다. 기본적으로 측정 결과와 유의한 결과를 도출하였으면 회로 설계 단계에서 이러한 시뮬레이션 결과를 이용하여 100 kHz 잡음성분을 예측할 수 있을 것이라 판단이 된다.
이러한 모델을 이용하여 LDC의 150 kHz～108 MHz 주파수 대역의 전도 방출 특성을 시뮬레이션하고, CISPR 25 규격에 따라 측정하였다. 기존에는 시스템을 구성하는 각각의 전장품에 대한 단편적인 회로 모델링만 고려했지만, 이러한 시스템-레벨 해석 방법을 사용하면 LDC의 동작에 의한 전도성 전자파 잡음의 결합 메커니즘에 대해 체계적으로 이해하고, 나아가서 설계 초기단계에서부터 EMC에 민감한 설계 파라미터들을 점검 및 분석할 수 있을 것으로 판단된다.
그림 1은 Full-Bridge 위상천이 PWM 컨버터을 이용한 LDC 기본 회로이다[2],[3]. 이 기본 회로를 기준으로 본 논문에서는 전도 방출 잡음을 고려한 고주파 회로 모델링에 관한 연구 결과를 도출할 것이다.
본 논문에서는 LDC 컨버터 스위칭 주파수에 대한 영향을 분석하고, 전기자동차의 각 시스템을 구성하는 전기회로부를 실제 동작 환경과 유사하게 모델링하였다. 참고문헌 [6]과 동일한 접근을 통해 LDC 시스템에 대한 전자파 적합성에 영향을 미칠 수 있는 요소와 제어 가능한 요소를 체계적으로 파악하는데 도움을 줄 수 있을 것으로 기대한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
전기자동차 및 하이브리드 자동차의 동력원은?
전기자동차(EV: Electric Vehicle) 및 하이브리드 자동차(HEV: Hybrid Electric Vehicle)의 동력원은 크게 모터, 내연기관 엔진, 주 배터리 및 보조 배터리로 구성이 된다. HEV/EV의 보조 배터리(12 V)는 헤드라이트나 계기판의 조명등과 같이 저전압 부하에 전원을 공급하는 역할을 수행한다.
차량 내부가 근방계 조건에 해당하며, 저전압 보조 배터리의 (—)는 전장품들과 공통 본딩을 이룰 때 어떤 문제가 발생할 수 있는가?
저전압 보조 배터리의 (—)는 전장품들과 공통 본딩을 이루고 있으며, 차량 내부는 근방계 조건에 해당한다. 따라서 이러한 공통 본딩 경로에 의해 전장품에서 발생된 전자파 잡음이 다른 전장품들에게도 전도성 간섭을 초래하고[4], 근방계 결합으로 인해 방송 및 통신장비의 무선주파수 간섭(RFI: Radio Frequency Interference)을 유발할 수 있다. 특히, 이러한 문제는 기존의 내연기관 자동차와 달리, 전기자동차에서는 고전압/고전류의 펄스폭 변조 방식의 DC/DC 컨버터를 사용하므로 스위칭에 의한 고주파대역의 전도 방출과 RFI가 매우 심각한 문제로 대두되었다.
HEV/EV의 보조 배터리(12 V)은 어떤 역할을 수행하는가?
전기자동차(EV: Electric Vehicle) 및 하이브리드 자동차(HEV: Hybrid Electric Vehicle)의 동력원은 크게 모터, 내연기관 엔진, 주 배터리 및 보조 배터리로 구성이 된다. HEV/EV의 보조 배터리(12 V)는 헤드라이트나 계기판의 조명등과 같이 저전압 부하에 전원을 공급하는 역할을 수행한다. 통상 일반적으로 수 A～수백 A 이상으로 전류가 흐르게 된다.
참고문헌 (8)
조진상, 최세환, 송홍석, 정진환, 김호기, "하이브리드 전기자동차(HEV)의 12 V 보조배터리 충전용 DC/DC 컨버터의 최적 설계", 전력전자학술대회 논문집, pp. 325-329, 2004년 7월.
I. A. Khan, "DC-to-DC converters for electric and hybrid vehicles", Power Electrics in Transportation, 20-22 pp. 113-122, Oct. 1994.
J. A. Sabate, V. Vlatkovic, R. B. Ridley, F. C. Lee, and B. H. Cho, "Design consideration for high-voltage high-power full-bridge zero-voltage-switched PWM converter", Proceedings of the APEC Conf., pp. 275- 284, Mar. 1990.
T. Van. Doren, Grounding and Shielding of Electromagnetic System, UMR, pp. 3-5-12, 1999.
정기범, "시스템 레벨의 전자파 안전성에 관한 고찰 및 동향", 한국전자파학회 전자파기술지, 20(5), pp. 61-71, 2009년 9월.
LL. P. Bauer, E. Kelder, "A practical circuit-based model for Li-ion battery cells in electric vehicle applications", IEEE INTELEC 33rd International, 2011.
H. Chen, Z. Qian, Z. Zeng, and C. Wolf, "Modeling of parasitic inductive coupling in a Pi-shaped common mode EMI filter", IEEE Trans. Electromagnetic Compat., vol. 50, no. 1, pp. 71-79, Feb. 2008.
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