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기생 커패시턴스 저감형 공통모드초크의 특성해석에 관한 연구
A Study on Characteristics Analysis of Common-Mode Choke with Reduced Parasitic Capacitance 원문보기

전력전자학회 논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, v.20 no.2, 2015년, pp.137 - 143  

원재선 (CDS Development Team, Samsung Electro-Mechanics) ,  김희승 (CDS Development Team, Samsung Electro-Mechanics) ,  김종해 (Dept. of Electronic and Electrical Eng., Catholic University of Daegu)

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

This paper presents the intra capacitance modeling based on the winding method and section bobbin for CM choke capable of EMI attenuation of broad bands from lower to higher frequency bands and high frequency type common-mode choke capable of EMI attenuation of high frequency band used in the EMI Bl...

주제어

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문제 정의

  • 동일한 방식으로 그림 6(b)와 같이 2차측 쇼트 측정 시 2차측 기생 커패시턴스를 쇼트로 무시하면 누설인덕턴스는 2배의 자화 인덕턴스의 병렬로 구성되며 누설인 덕턴스가 2배의 자화 인덕턴스를 무시할 수 있으므로 누설인덕턴스로 나타낼 수 있으며 1차 측으로 변환하면 2배의 누설 인덕턴스와 기생 커패시턴스의 병렬구조로 구성된다. 따라서 본 논문에서 목적으로 설정하는 공통 모드 초크의 고주파수 임피던스 개선을 위해서는 고주파 모델링의 기생 커패시턴스 인자에 의해 결정되는 것을 알 수 있다.
  • 본 논문에서는 누설 인덕턴스와 자화 인덕턴스가 큰 Type B의 고주파수 대역의 임피던스 개선을 위하여 그림 10과 같은 권선 방식을 제안한다. 제안된 공통모드초크는 Multi-Section을 이용하여 권선간의 거리를 이격함으로써 공통모드초크의 기생 커패시턴스가 병렬이 아닌 부분적으로 직렬인 형태로 정렬되도록 한다.
  • 본 논문은 고주파용 공통모드 초크의 임피던스 특성과 저주파용 공통모드 초크의 임피던스 특성을 분석하고 공통모드 초크의 고주파 모델링을 통해서 공진 관련 인자를 찾아 공진 주파수와의 상관관계를 파악한다. 이를 통해 고주파수 임피던스를 개선하기 위한 방안으로써 공진 주파수를 고역 주파수로 이동시키는 방안을 제시하고 광대역의 EMI 감쇄가 가능한 공통모드 초크의 권선방식을 제안한다.
  • 본 논문은 저주파 대역뿐만 아니라 고주파 대역의 EMI 감쇄가 가능한 기생 커패시턴스 저감형 공통모드초크의 권선 방법과 Section 보빈의 구조에 따른 기생 커패시턴스 모델링을 나타내었다. 또한, 이론에 대한 타당성을 증명하기 위해 기생 커패시턴스 모델링에 의해 설계된 샘플을 제작하여 실험을 통해 검증하였다.
  • 따라서 기존의 Type A가 공통모드 노이즈 저감에만 유리한 반면 그림 9의 Type B는 큰 누설인덕턴스로 인한 차동모드 노이즈 감쇄 효과 또한 우수한 특성을 지닌다. 본 논문의 목적인 2단 필터를 1단 필터로 저감하기 위해서는 차동모드 노이즈 감쇄 특성 또한 개선되어야 하므로 Type A에 비해 유리한 특성을 지닌다. 하지만 이러한 장점에도 불구하고 그림 9(b)와 같이 기생커패시턴스의 용량은 다수의 권선에 의해서 더욱 커지게 되는 형상을 지니게 된다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
32인치 이하의 LED-TV SMPS의 경우 PFC가 불필요한데, 이때의 필터구조는 무엇인가? 32인치 이하의 LED-TV SMPS의 경우는 입력전력이 75[W]보다 낮은 용량으로 고주파 규제에 따라서 PFC가 불필요하며 DC/DC의 경우 Flyback 토폴로지를 사용하고 있다. 이러한 PFC 미적용 SMPS의 경우는 2 단 이상의 EMI 필터구조가 적용되고 있으며 이러한 복잡한 필터구조의 부피/단가를 저감하기 위한 방안으로써 저주파 대역에서의 EMI 대책은 단순히 공통모드초크의 권선을 증가시킴으로써 큰 임피던스를 통한 차폐 효과를 얻을 수 있다. 하지만 일반적으로 공통모드 노이즈가 강세를 보이는 1[MHz] 이상의 고주파 대역에서는 단순한 권선 수 증가만으로 효과를 기대하기 어렵다.
최근 SMPS의 소형화 및 슬림화로 인한 추세는 어떠한가? 최근 SMPS의 소형화 및 슬림화로 인한 스위칭 주파수는 높아지는 추세이며, 이로 인한 전원 노이즈의 크기가 매우 커지고 있다. 반면에 단가 경쟁으로 인한 소자저감은 EMI 필터에서도 예외는 아니다.
EMI 필터의 성능 개선, 부피 저감 및 저가격화를 위해서 필요한 것은? EMI 필터의 성능 개선, 부피 저감 및 저가격화를 위해서는 공통모드 초크도 코어 형상/재질 및 권선 방식 등에 관한 모델링이 필요하며 이러한 특성분석을 통해서 EMI 필터단의 소형화/간소화에 관한 연구가 지속적으로 이루어지고 있다. [3][4][5]
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참고문헌 (8)

  1. J. S. Won, J. H. Kim et al, "Development trends of EMI filter block for LED-TV power," in Annual Conference of the KIPE, pp. 308-309, Jul. 2011. 

  2. Y. C. Jung, "Modeling and design algorithm of conducted EMI filter using a noise separation method," Transactions of Korean Institute of Power Electronics, Vol. 9, No. 3, pp. 260-266, Jun. 2004. 

  3. S. Weber, M. Schinkel, and S. Guttowski et al, "Calculating parasitic capacitance of three-phase common-mode chokes," PCIM Conference, Nurnberg, 2005. 

  4. J. Petzold, R. Klinger, H. J. Poess, "Nanocrystalline materials in common-mode chokes," Technical article PCIM Europe, 1999. 

  5. H. S. Kim, S. K. Han, J. S. Won et al, "A new asymmetrical winding common mode choke capable of attenuating differential mode noise," IEEE 8th International Conference on Power Electronics, pp. 440-445, May 2011. 

  6. D. H. Liu, J. G. Jiang, "High frequency characteristic analysis of EMI filter in switch mode power supply(SMPS)," Power Electronics Specialists Conference, Vol. 4, pp. 2039-2043, 2002. 

  7. S. Wang, F. C. Lee, and J. Daniel, "Design of inductor winding capacitance cancellation for EMI suppression," IEEE Trans. Power Electronics, Vol. 21, No. 6, pp. 1825-1832, Nov. 2006. 

  8. F. Y. Shih and D. Chen et al, "A procedure for designing EMI filters for AC line applications," IEEE Trans. Power Electronics, Vol. 11, No. 1, pp. 170-181, Jan. 1996. 

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