[논문]노이즈 소스 임피던스 추출 방식을 이용한 EMI 필터 설계

원도현; 김희승; 백미란; 한상규; 노정욱; 원재선; 오동성; 홍성수

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원도현 (국민대학교 전력전자 연구소) , 김희승 (국민대학교 전력전자 연구소) , 백미란 (국민대학교 전력전자 연구소) , 한상규 (국민대학교 전력전자 연구소) , 노정욱 (국민대학교 전력전자 연구소) , 원재선 (삼성전기(주)) , 오동성 (삼성전기(주)) , 홍성수 (국민대학교 전력전자 연구소)

기존의 EMI 필터 설계 방식은 많은 가정을 전제로 설계되어 다양한 종류의 컨버터에 적용하기 어렵고, 특정 컨버터에만 적용할 수 있는 문제점이 있다. 이를 해결하기 위해 본 논문에서는 측정 대상 시료의 노이즈 원과 노이즈 소스 임피던스를 등가회로로 모델링한 후 EMI 필터에 사용되는 소자의 임피던스 모델을 이용하여 노이즈 소스 임피던스를 유추한다. 이를 이용하여 모든 컨버터에 적용될 수 있는 EMI 필터 설계 방법을 제시한다. 최종적으로 각 단계에서 실제 측정 결과 및 모의실험 결과를 제시하여 제안 방식의 타당성 및 유용성을 검증하였다.

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문제 정의

본 논문에서는 시료의 소스임피던스를 추출하고, 이를 이용하여 EMI 필터를 설계하는 방법을 제안하였다. 제안 방법은 시료 각각의 소스임피던스를 이용하기 때문에 모든 컨버터에 제안 방법을 적용할 수 있는 장점을 가지며, 많은 시행착오를 통해 설계하던 기존 방식에 비해 몇 번의 측정으로 필터를 설계할 수 있어 개발시간을 단축시킬 수 있다.

제안 방법

감쇄비 결정 후 UL(Universal Line) 규격 및 마진에 의한 Y-cap을 선정하고, 감쇄 level에 맞는 CM choke를 선정한다. CM choke 삽입 후 재 측정한 CM noise level이 저주파수 대역에서 규제를 만족하면 이후 고주파수 대역을 확인한다. 만약 고주파수 대역에서 규제를 만족하지 않는다면 고주파용 CM Choke를 삽입 후 규제 만족 여부를 확인한다.
Common Mode 필터 설계 후 Differential Mode 필터를 설계한다. DM의 경우에는 소스 임피던스가 CM처럼 고정된 값이 아니고 유동적이므로^[2] 그림 8과 같은 절차로 설계한다.
따라서 본 논문에서는 기존 필터 설계 방법의 EMI 문제점을 해결하기 위해 측정 대상 시료의 노이즈원과 노이즈 소스 임피던스를 등가회로로 모델링한 후 EMI 필터에 사용되는 소자의 임피던스 모델을 이용하여 노이즈 소스 임피던스를 유추한다. 이를 이용하여 모든 컨버터에 적용될 수 있는 EMI 필터 설계 방법을 제시하여 부피 및 가격 저감, 개발시간 단축을 꾀한다.
CM 필터를 설계하는 순서는 그림 3에 나타나있다. 먼저 EMI 필터가 삽입되지 않았을 때의 level을 측정 한 후 측정 결과와 규제의 차이를 계산 후 필요한 마진을 고려해 감쇄비를 결정한다. 감쇄비 결정 후 UL(Universal Line) 규격 및 마진에 의한 Y-cap을 선정하고, 감쇄 level에 맞는 CM choke를 선정한다.
따라서 본 논문에서는 기존 필터 설계 방법의 EMI 문제점을 해결하기 위해 측정 대상 시료의 노이즈원과 노이즈 소스 임피던스를 등가회로로 모델링한 후 EMI 필터에 사용되는 소자의 임피던스 모델을 이용하여 노이즈 소스 임피던스를 유추한다. 이를 이용하여 모든 컨버터에 적용될 수 있는 EMI 필터 설계 방법을 제시하여 부피 및 가격 저감, 개발시간 단축을 꾀한다. 최종적으로 각 단계에서 실제 측정 결과 및 모의실험 결과를 제시하여 제안 방식의 타당성 및 유용성을 검증하였다.
제안된 EMI 필터 설계 방식은 측정 대상 시료를 공통모드(Common Mode, CM)와 차동모드(Differential Mode, DM)로 분리하여 각각의 노이즈 소스 임피던스를 유추하고, 이를 통해 CM/DM 필터를 각각 설계하는 방식이다. 그림 1은 본 논문의 측정 대상 시료인 플라이백 컨버터를 나타내며, 그림 2는 EMI 필터가 삽입되지 않은 상태의 Total EMI Level을 나타낸다.

데이터처리

이를 이용하여 모든 컨버터에 적용될 수 있는 EMI 필터 설계 방법을 제시하여 부피 및 가격 저감, 개발시간 단축을 꾀한다. 최종적으로 각 단계에서 실제 측정 결과 및 모의실험 결과를 제시하여 제안 방식의 타당성 및 유용성을 검증하였다.

성능/효과

DM noise level을 살펴보면 약 150∼400㎑ 대역에서 규제를 만족 못하지만, DM 필터 설계 후 모든 주파수 대역에서 규제를 만족함을 확인할 수 있었다.
DM noise level을 살펴보면 약 150∼400㎑ 대역에서 규제를 만족 못하지만, DM 필터 설계 후 모든 주파수 대역에서 규제를 만족함을 확인할 수 있었다. Total noise level 역시 그림 7과 같이 규제를 만족하여 본 논문에서 제안하는 필터 설계 방법의 타당성을 확인하였다.
식 (4)를 통해 CM choke의 인덕턴스는 약 11mH로 설계되었으며, 필터단에 삽입 후 EMI level을 재 측정한 결과는 그림 4(b)와 같다. 실험 결과 200㎑에서의 노이즈 레벨은 약 56.5㏈㎶로 측정되어 이론적 분석의 타당성을 검증하였다.
본 논문에서는 시료의 소스임피던스를 추출하고, 이를 이용하여 EMI 필터를 설계하는 방법을 제안하였다. 제안 방법은 시료 각각의 소스임피던스를 이용하기 때문에 모든 컨버터에 제안 방법을 적용할 수 있는 장점을 가지며, 많은 시행착오를 통해 설계하던 기존 방식에 비해 몇 번의 측정으로 필터를 설계할 수 있어 개발시간을 단축시킬 수 있다. 또한 각 소자들의 최적 설계를 통해 제작 단가 및 부피를 절감할 수 있다.
제안 방식을 통해 대상 시료의 CM 필터를 설계해보면, 먼저 필터가 없을 때의 EMI level 측정 결과 그림 4(a)와 같이 노이즈의 첫 peak 성분은 200㎑에서 71.5㏈㎶로 측정되었다. CM choke의 임피던스 크기는 주파수에 비례하기 때문에 첫 peak level 성분의 이 규제를 만족할 경우 이후의 주파수 대역에서도 규제를 만족할 수 있다.

후속연구

다만 DM 또는 normal choke의 최적 설계는 향후 연구를 통해 진행될 것이다.
향후에는 DM의 소스 임피던스를 추출할 수 있는 연구가 필요할 것으로 판단된다.

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