전력변환 시스템에서 고속 스위칭 동작은 고주파 노이즈를 유발하며, 이는 의도하지 않은 전자기 간섭(Electromagnetic Interference, EMI)을 발생시킨다. 특히, 차세대 전력반도체 기술의 발전으로 인해 시스템은 점점 더 고속 스위칭으로 동작하고 있으며, 이로 인해 고효율, 고신뢰성, 고전력밀도 구현이 가능해졌지만 동시에 시스템 전반에 오동작을 유발할 수 있는 EMI 문제가 심화되고 있다. 따라서 EMI를 효과적으로 저감하는 기술이 필수적이며, 그 중에서도 복잡한 제어나 알고리즘 없이 적용 가능한 EMI 필터 기술 및 이를 개선한 고성능 노이즈 저감 필터에 대한 관심이 높아지고 있다.
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그림 1. Noise current circuit of power conversion systems |
그림 1은 전력변환 시스템에서 발생하는 공통모드(Common Mode) 및 차동모드(Differential Mode) 노이즈 전류의 흐름을 나타낸다. 공통모드 전류는 기생 커패시턴스를 경유하여 접지 방향으로 동일하게 흐르며, 고주파 영역에서 EMI 필터가 동작할 때 필터 성능 저하 및 EMI 증가의 주요 원인이 된다. 일반적으로 공통모드 필터는 공통모드 초크와 Y 커패시터로 구성되며, 이때 Y 커패시터의 공차(Tolerance)에 따른 설계 오차와 공통모드 초크 내부 권선 간에 형성되는 기생 커패시턴스는 고주파수 영역에서 필터의 감쇠 성능을 저하시킬 수 있다. 따라서, 고주파 EMI 저감을 위해서는 공통모드 초크 설계 시 권선 및 초크 구조에서 발생하는 기생 커패시턴스를 정밀하게 고려한 설계 접근이 필요하다.
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그림 2. Plan view of common mode choke (a) Top view of common mode choke, (b) Side view of common mode choke |
그림 2는 공통모드 초크에서 발생하는 주요 기생 커패시턴스를 나타낸다. 공통모드 필터 초크의 상단 및 측면에서 형성되는 기생 커패시턴스는 등가 병렬 커패시턴스(Equivalent Parallel Capacitance, EPC)로 모델링된다. 그림 2(a)는 권선 간에 형성되는 기생 커패시턴스인 Turn-to-Turn Capacitance(Ctt)를, 그림 2(b)는 권선과 초크 간에 형성되는 Turn-to-Choke Capacitance(Ctc)를 각각 나타낸다.
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그림 3. Equivalent circuit (a) Wheatstone bridge circuit (b) Common Mode filter equivalent circuit using a Wheatstone bridge circuit |
앞서 언급한 Y 커패시터의 공차로 인한 임피던스 불균형 문제를 보완하고 공통모드 노이즈를 저감하기 위해, 그림 3의 휘트스톤 브리지(Wheatstone Bridge) 구조를 활용한 임피던스 밸런싱 기법을 적용한다. 공통모드 필터의 초크에서 발생하는 기생 커패시턴스(EPC)와 Y 커패시터의 임피던스 밸런싱으로 전력변환회로의 고주파 노이즈를 저감하고자 한다.
이를 위해 제안하는 보빈 구조인 그림 4를 통해 권선 간의 거리를 조절하여 각 상에 존재하는 기생 커패시턴스를 최소화하고, Y 커패시터와의 임피던스 밸런싱을 만족시킨다. 기생 커패시턴스는 권선 간 거리(dwire)에 따라 크게 영향을 받기 때문에, 본 연구에서는 dwire를 조정할 수 있는 새로운 보빈 구조를 제안한다. 그림 4에 제시된 보빈은 8mm의 dwire로 감은 공통모드 초크용 보빈(a)과 12mm의 dwire로 감은 공통모드 초크용 보빈 (b)으로, 이동형 핀을 이용해 홈이 파여진 보빈의 상하 방향으로 이동시켜 dwire를 조절할 수 있다. 이를 통해 공통모드 초크의 EPC를 제어하고, 휘트스톤 브리지 기반 임피던스 밸런싱 구조를 만족시켜 고주파 공통모드 노이즈를 효과적으로 저감할 수 있다.
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그림 4. 3D model plan of common mode filter with proposed bobbin applied (a) Side of the bobbin, (b) Model with dwire 8mm |
보빈을 활용하여 권선 간 거리(dwire)가 가까울수록 등가 병렬 커패시턴스(EPC)가 증가하고, 거리가 멀어질수록 등가 병렬 커패시턴스(EPC)가 감소하는 경향을 확인하였다. 이러한 특성을 기반으로, 제안하는 보빈 구조는 Y 커패시터의 공차(Tolerance)를 고려하여 EPC와의 임피던스 밸런싱 조건을 만족하도록 설계한다. 이는 권선 간의 거리(dwire)를 조정함으로써 공통모드 노이즈 저감 성능을 개선할 수 있으며, 이는 실험을 통해 검증한다.
그림 5는 1 MHz에서 5 MHz 사이의 고주파 대역에서 EPC가 EMI 공통모드 노이즈 특성에 미치는 영향을 보여준다. 보빈이 적용되지 않은 조건[case 1]은 공통모드 필터가 없는 상태이며 공통모드 노이즈가 가장 높게 측정되었다. 기존 보빈을 적용한 조건[case 2] 은 임피던스 밸런싱이 이루어지지 않은 상태로, 공통모드 필터는 존재하지만 불균형으로 인해 노이즈 감쇠가 제한적이었다. 한편, 제안하는 임피던스 밸런싱을 적용한 조건 중 EPC가 높은 경우[case 3] 와 EPC가 낮은 경우[case 4]를 비교하면, 동일한 임피던스 비인 상수 k를 유지하더라도 EPC가 낮을수록 공통모드 노이즈가 더욱 효과적으로 억제됨을 확인할 수 있다.
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그림 5. Comparison of impedance characteristics by parasitic capacitance according to conditions (a) Quasi-peak, (b)Average |
실험 결과, 고주파 대역에서 공통모드 노이즈 저감 성능이 향상되었으며, 특히 임피던스 밸런싱이 만족된 조건의 1.503 MHz에서 최대 9.74 dBµV 수준의 노이즈 저감 효과가 확인되었다. 이를 통해, 공통모드 초크의 권선 간 거리를 조정함으로써 기생 커패시턴스를 효과적으로 제어할 수 있으며, 이는 EMI 필터의 고주파 성능 향상에 직접적인 기여를 할 수 있음을 실험적으로 검증하였다.
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