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독립형 능동 EMI 필터 IC가 공통 모드 필터 크기를 줄이는 방법

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글/티모시 헤가티

자동차 온보드 충전기 및 서버 전원 공급 장치는 전력 밀도가 주요 지표인 매우 제한된 시스템 환경이다. 솔루션이 까다로운 폼 팩터에 적합하도록 EMI(전자기 간섭) 필터 구성 요소의 부피를 줄이는 것이 중요하다.

이러한 및 기타 고밀도 애플리케이션을 위한 공통 모드(CM) 필터는 터치 전류 안전 요구 사항과 관련된 총 Y 정전 용량을 제한하는 경우가 많으므로 목표 코너 주파수 또는 필터 감쇠 특성을 달성하려면 대형 CM 초크가 필요하다. 그 결과 전체 필터 크기를 지배하는 부피가 크고 무겁고 값비싼 CM 초크가 포함된 손상된 수동 필터 설계가 탄생했다.

고속 전력 반도체 장치 및 회로 토폴로지에 뒤처지는 수동 부품의 발전으로 인해 수동 필터의 부피는 전력 밀도를 높이는 데 제한 요소 중 하나가 되었다. 그림 1에서 볼 수 있듯이 실용적인 필터 구현은 전력 솔루션 전체 부피의 최대 30%를 차지할 수 있다.

AEF(능동형 EMI 필터) 회로는 차세대 전력 관리 시스템을 위한 보다 컴팩트한 필터 솔루션을 가능하게 한다. 공간이 제한된 애플리케이션에서는 능동형 전원 공급 장치 필터 집적 회로(IC)를 사용하여 자기 구성 요소와 전체 필터의 크기를 줄일 수 있다. AEF의 추가 이점으로는 더 나은 열 관리 및 더 높은 신뢰성을 위한 더 낮은 구성 요소 전력 손실, 제한된 공간 내 구성 요소 간 결합 감소, 더 쉬운 기계 및 포장 설계, 더 낮은 비용 등이 있다.

그림 2와 3은 각각 단상 및 3상 필터 회로의 개략도이며, 여기서 능동 솔루션이 기존 수동 설계를 대체한다. CM 초크 사이에 위치한 단상  TPSF12C1, TPSF12C1-Q1 및 3상 TPSF12C3, TPSF12C3-Q1 AEF IC는 CM 전류에 대한 낮은 임피던스 션트 경로를 제공한다. 그림에서 볼 수 있듯이 능동 솔루션에는 수동 필터의 동일한 구성 요소에 비해 인덕턴스가 훨씬 낮은 CM 초크 LCM1 및 LCM2가 있다.

AEF

AC 라인에 연결된 Y 정격 감지 및 주입 커패시터를 사용하여 회로는 전체 필터 볼륨을 줄이면서도 섀시 접지에 대한 라인 주파수 누설 전류의 낮은 값을 유지하는 것을 목표로 한다. 이는 주입 커패시터의 주파수 응답을 형성하는 능동 회로를 사용하여 가능하며 고주파수에 대한 값을 효과적으로 증가시킨다. 결과적으로, EMI 완화를 위해 관심 있는 주파수 범위에 걸쳐 증폭된 주입 커패시턴스는 유사한 감쇠를 갖는 수동 필터의 값에 비해 CM 초크 인덕턴스를 낮춘다. AEF를 사용하는 회로의 장점은 다음과 같다.

• 넓은 작동 주파수 범위와 높은 안정성 마진을 갖춘 보다 단순한 필터 구조(공통 모드 AEF 빠른 시작 계산기 도구를 사용하여 계산)

• 부피, 무게, 비용을 줄이면서 CM 초크 크기를 줄였다. 이는 또한 감소된 초크 자체 기생으로 인해 훨씬 낮은 구리 손실과 더 나은 고주파 감쇠 성능을 가능하게 한다.

• 추가 자기 부품 없음 - AEF 회로는 Y 정격 감지 및 주입 커패시터만 사용하며 오류 상태 중 피크 터치 전류에 영향을 주지 않는다.

• 섀시 접지를 참조하는 저전압 AEF IC를 사용하여 안전성이 향상되었다.

• 필터 구성 요소 근처에 배치할 수 있는 유연성을 제공하는 독립형 IC 구현이다.

• 국제전기기술위원회(International Electrotechnical Commission) 61000-4-5를 충족하는 데 도움이 되는 라인 전압 서지에 대한 내성이다.

그림 2와 3의 두 CM 초크 사이에 배치된 X 커패시터는 CM 관점에서 전력선 사이에 일반적으로 최대 낮은 메가헤르츠 주파수까지 낮은 임피던스 경로를 제공한다. 이를 통해 하나의 주입 커패시터만 사용하여 하나의 전력선(일반적으로 중성)에 전류를 주입할 수 있다. 3상 필터가 중성선이 없는 3선 시스템인 경우 TPSF12C3-Q1의 SENSE4 핀은 접지에 연결되고 주입 커패시터는 X 커패시터의 스타포인트 연결을 통해 결합된다.

실용적인 AEF 구현

그림 4는 그림 1의 컨버터에 적합한 실제 AEF 구현을 보여준다. TPSF12C1-Q1 단상 AEF IC를 사용하면 CM 잡음 감쇠가 달성된다.

그림 5는 AEF를 비활성화하고 활성화한 경우의 EMI 결과를 보여준다.

그림 5에서 알 수 있듯이 AEF는 저주파 범위(100kHz ~ 3MHz)에서 최대 30dB의 CM 잡음 감쇠를 제공한다. 이는 2개의 2mH 나노결정질 초크를 사용하는 필터가 2개의 12mH 초크를 갖춘 패시브 필터 설계. 공정한 비교를 위해 이러한 초크는 유사한 핵심 소재를 사용하는 동일한 구성 요소 제품군(Wurth Elektronik 제작)에서 나왔다. 표 1은 패시브 및 액티브 설계에 적용 가능한 CM 초크 매개변수를 포착하고 그림 6은 볼륨, 설치 공간, 무게 및 비용 절감을 강조한다.

이 예의 AEF는 10A에서 총 구리 손실을 60% 감소시킵니다(온도 상승으로 인한 권선 저항 증가 무시). 이는 부품 작동 온도가 낮아지고 신뢰성이 향상됨을 의미한다.

[표 1] 수동 및 능동 필터 솔루션을 위한 CM 초크 매개변수

[그림 6](a) AEF를 통한 설치 공간, 부피, 무게 및 비용 절감, (b)초크 크기 비교 

결론

특히 솔루션 크기와 비용이 우선시되는 자동차 및 산업용 애플리케이션의 경우 고밀도 스위칭 조정기의 EMI 필터 스테이지에 대해 콤팩트하고 효율적인 설계를 달성하는 것이 어렵다. 측정된 CM 잡음 특성을 억제하기 위한 능동 필터 솔루션의 실제 결과는 동등한 수동 전용 필터 설계에 대해 벤치마킹할 때 CM 초크 부품의 부피가 크게 감소했음을 나타낸다. 

leekh@seminet.co.kr
(끝)
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