고효율 전력 시스템에서 증가하는 EMI 문제 완화하기

가변 속도 모터와 배터리 충전 애플리케이션이 더욱 보편화됨에 따라 전도성 EMI 또한 증가하고 있지만, 이에 대한 솔루션 역시 존재한다.

(출처: Audrius Merfeldas/stock.adobe.com)

2020년경, 테슬라는 차량에 AM 라디오를 장착하지 않는 결정을 내렸다. 테슬라를 비롯한 전기차(EV) 제조업체들은 고주파 스위치와 광대역 반도체 기반 전자 장비에서 발생하는 전기적 노이즈가 수신 품질을 저하시킨다고 주장했다.^[1] 기존 FM 라디오는 AM 라디오만큼 심각한 영향을 받지는 않지만, 이 또한 점차 사라지고 있다.^[2]

전자기 간섭(EMI)은 라디오 청취자에게 불편함을 줄 수 있는 수준이겠지만, 산업 환경에서는 오늘날 전력 시스템의 효율성 향상을 위한 규모 확대로 인해 EMI 문제가 더욱 심각해지고 있다. 이 같은 대규모 환경에서는 EMI의 영향이 수신 불량 문제보다 훨씬 더 심각하다.

오늘날의 전력 시스템은 효율성을 위해 설계되었다. 일반적인 방식은 모터에 가변 주파수 드라이브(VFD)를 사용하는 것이다. 이는 전력 소비를 최소화하면서 속도를 최적화할 수 있도록 해준다. 이러한 시스템은 기존의 실리콘 대신 실리콘 카바이드(SiC) 및 질화갈륨(GaN) 부품에 점점 더 의존하고 있는데, 이는 이들 소재의 넓은 밴드갭 특성 덕분에 고전압, 고온, 고주파 환경에서 더 나은 성능을 발휘하기 때문이다. 그리하면 전력 소비는 감소하고 전력 밀도는 높아지는데, 이는 전기 자동차(EV)와 같은 까다로운 환경에서 매우 중요하다.

이러한 환경에 사용되는 전자 장비는 다양한 표준 및 프로토콜에 따라 전자기 호환성(EMC) 테스트를 거쳐야 한다. 이러한 테스트 방법은 전자파 간섭(EMI) 특성도 평가한다. EMC 테스트를 통과하는 것은 일반적으로 시장 진출에 필수적이며, 주변 장비 및 인프라에 대한 간섭 위험을 줄이는 데 도움이 된다.

이 글에서는 SiC 및 GaN 소자를 사용한 고효율 전력 변환이 오늘날의 산업과 에너지 시스템에서 전도성 EMI를 어떻게 증가시키는지, 그리고 적절한 프런트엔드 필터링을 통해 이러한 영향을 어떻게 완화할 수 있는지에 대해 논의한다.

고효율 설계는 기본

전기 장비 설계는 복잡한 절충점을 찾아야 하며, 시장 상황에 따라 우선순위가 결정된다. 최신 설계 주기에서는 전력 수준, 효율, 비용 및 전력 밀도 최적화를 조기에 우선시하는 경우가 많다. 이는 이해할 만하지만, EMI 문제를 소홀히 하게 만든다. 각 트랜지스터 유형에 대해서는 가능한 최고 스위칭 속도가 적용되며, SiC는 높은 전력 처리 능력, GaN은 고속 스위칭이 적용된다. 설계자는 최대 성능을 제공하기 위해 이러한 트랜지스터를 한계 속도까지 끌어올리고, 플랫폼 수준의 성능 목표를 달성하기 위해 효율, 열 마진 및 전력 밀도를 최대한 확보하려고 노력한다. EMI를 최소화하는 몇 가지 메커니즘이 내장되지만, 성능에 직접적인 영향을 미치지는 않는다. 원하는 특성이 최적화되면 제조업체는 제품이 EMC 테스트를 통과하기를 기대한다.

시스템의 기본 아키텍처와 그에 따른 전류 경로는 전도성 EMI가 어떻게 전파되는지를 결정한다. 회로 불균형이나 특정 기생 회로 소자를 통해 전류가 흐르면 전도성 EMI가 발생한다. 이러한 유형의 간섭은 PCB 트레이스의 인덕턴스와 커패시턴스에 의해서도 발생할 수 있다. 결과적으로 발생하는 노이즈는 회로의 다른 영역에 자기적(유도성) 또는 전기적(용량성)으로 결합될 수 있다.

다음과 같은 설계 선택 사항은 이러한 영향에 영향을 미칠 수 있다:

• 전력단 토폴로지 - 효율적인 전력 변환을 위한 스위치, 다이오드, 인덕터 등의 배열
• DC 링크 및 입력 네트워크 구조 - 1차 전원을 하류 전력 변환단에서 분리하는 중간 단계
• 케이블 길이, 접지 방식 및 인클로저 설계 - 적절한 구성 선택은 원치 않는 출력을 최소화

설계자가 이러한 선택을 한 후에는 나중에 로컬 튜닝을 통해 그 영향을 수정하기가 매우 어려우므로, 따라서 초기 단계에서 신중한 선택이 매우 중요

고효율 설계에서 EMI가 발생하는 방식

EMC 테스트 연구소 (그림 1)는 장비를 면밀히 검사한다. 테스트 중에 장비의 효율을 측정할 수는 없지만, 구성 정보를 통해 특정 설계에서 발생할 수 있는 EMI의 양을 예측할 수 있다.

그림 1: EMC 테스트 연구소는 대상 장치에서 발생하는 전도 및 방사 EMI를 정량화한다. (출처: Kzenon/stock.adobe.com)

설계자들은 효율성을 높이기 위해 스위칭 주파수를 높이는 경우가 많은데, 이는 오히려 설계 노력을 무산시키는 결과를 초래한다. 스위칭 손실을 줄이기 위해 주파수를 에지 레이트(edge --rate)까지 높이면 노이즈의 스펙트럼 대역폭이 넓어지기 때문이다. 불행히도 특정 주파수 대역과 그 고조파는 다양한 의료 기기를 포함한 다른 장비에 문제를 일으킨다. EMC 테스터는 전도성 EMI를 측정할 때 주로 150kHz에서 30MHz 사이의 주파수 대역에 주목하는데, 이 주파수 대역이 특정 종류의 소비자, 의료 및 산업 장비에 가장 큰 간섭을 일으키기 때문이다.

기생 성분 또한 EMI를 발생시킨다. 회로를 설계하는 사람은 스위칭 속도와 EMI 사이의 관계를 잘 알고 있지만, 레이아웃 및 패키징상의 기생 성분은 예상치 못한 공진 및 커플링 경로를 만들어 공통 모드 및 차동 모드 방출을 증폭시킬 수 있다. 스위칭 속도가 증가함에 따라 물리적 시스템의 다른 요소들도 EMI 레벨을 더욱 증가시킬 수 있다. 이러한 기생 성분은 커플링된 트레이스/루프, 개별 부품의 위치, 전원 케이블의 종류 및 배선, 그리고 인클로저 설계 등 다양한 형태로 나타난다.

이러한 부품과 상호 작용은 고주파 스위칭 회로에 배치될 때 유도성 및 용량성 요소로 작용한다. 예를 들어, DC-DC 컨버터의 내부 트랜스포머는 인근 PCB 트레이스와 결합하여 컨버터 주파수에서 전류를 유도할 수 있다. 이러한 기생 성분은 스위칭 노이즈가 입력 라인에 결합되는 방식에 영향을 미치지만, 수많은 요소가 작용하기 때문에 그 영향을 예측하기 어렵다. PCB 상의 개별 부품 위치의 미세한 차이와 케이블 위치 또한 이러한 결합을 발생시키거나 제거할 수 있다. 상호 작용은 예측하기 어렵지만, 몇 가지 알려진 원인을 피하기 위한 지침은 존재한다.

과제 및 완화 방안

오늘날의 가변 전압 및 가변 주파수 시스템을 활용하면 다양한 분야에서 상당한 에너지 절감 효과를 얻을 수 있다. 이러한 정교한 전력 관리는 가변 속도 모터 드라이브, 히트 펌프를 사용하는 HVAC 및 공조 시스템, 전기차 충전 인프라와 같이 EMI 발생 빈도가 높은 분야에서 활용 가능하다.

이러한 시스템들은 모두 다음과 같은 기본적인 작동 특성을 공유한다:

• 효율 극대화를 위한 빠른 스위칭과 높은 전력 레벨
• 3상 및 중성선 전력 분배
• 중성선 또는 접지를 사용하여 한 방향으로 전류가 흐르는 경우 높은 공통 모드 EMI 발생 (EMI는 주로 기생 성분에 의해 발생)
• 양방향으로 전류가 흐르는 경우 높은 차동 모드 EMI 발생 (EMI는 선로 임피던스에 의해 발생)

새로운 장비를 처음부터 설계할 때는 여러 번의 프로토타입 제작 단계를 거쳐야 하지만, 초기 단계부터 EMI 완화 전략을 적용할 수 있다. 하지만 이후에는 기존 장비 또는 신규 설치에서 발생하는 EMI를 줄이는 방법을 찾아야 한다. 장비 자체를 수정할 수 없는 경우, 보다 실용적인 해결책은 공급 라인에 적절한 필터를 설치하여 장비를 격리하고 상류의 다른 애플리케이션을 보호하는 시스템 전체적인 접근 방식이다. 전도성 전자기파가 공급 라인으로 유입되는 것을 방지하기 위해, 이러한 솔루션에는 중성선을 처리할 수 있는 시스템 수준의 필터링이 필요하다.

효과적인 필터링 아키텍처의 대표적인 예로는 TE Connectivity/Schaffner FN3297 및 FN3298 필터 시리즈를 들 수 있다. 산업 자동화 및 공조 시스템을 위해 설계된 이 필터는 3상 중성선 시스템에서 강력한 전도성 EMI 저감 기능을 제공한다. 해당 제품군은 480V_AC 정격 작동을 위해 설계되었으며, 8A~36A의 정격 전류를 지원하고, 단락 전류 정격(SCCR)은 100kA이며, IEC 및 UL 표준을 준수한다. 이 필터는 콤팩트한 구조, 전면 배선 방식이 특징이며, 높은 절연 저항으로 최대 4kV(L-PE)의 서지 전압을 견딜 수 있다.

맺음말

와이드 밴드갭 기반 장비는 효율성을 상당 수준 향상시킬 수 있지만, 전도성 EMI 영향은 여전히 --문제가 되는 경우가 많다. 그러나 적절한 완화 전략을 채택하면 해당 전략을 지속적으로 유지할 수 있으며, 통상적으로 추가 비용을 발생시키지 않는다. TE Connectivity/Schaffner 제품에서 제공하는 것과 같은 효과적인 필터링은 시스템에 실용적이고 비용 효율적인 솔루션을 제공하여 기업이 효율성 향상을 극대화할 수 있도록 지원한다.

저자 소개

피터 웰랜더(Peter Welander)는 현재 반 은퇴 상태로, 10년 넘게 프리랜서 작가 겸 편집자로 활동해 왔으며, 그 전에는 Control Engineering 잡지에서 7년간 수석 편집자 겸 콘텐츠 관리자로 근무했다. 그는 주로 공정 산업 분야의 산업 자동화에 대해 폭넓게 글을 써왔다. 또한 오디오 및 비디오 제작, 팟캐스트 제작, 블로그 운영 등의 업무도 담당했다.

출판계에 진출하기 전에는 다양한 산업 제조업체에서 영업 및 마케팅 관리, 엔지니어링, 운영 분야에서 오랜 경력을 쌓았다. 그는 경력 전반에 걸쳐 기술적인 개념을 이해하고 복잡한 아이디어를 명확하게 설명하는 능력을 보여주었다. 사진 촬영, 기계 공장, 목공, 파이프 오르간 제작 등의 취미 활동을 즐긴다.

[1]

 https://spectrum.ieee.org/am-radio-ev-interference