서론

  최근 전력 변환 시스템은 고속 스위칭 전력 반도체를 사용하여 전력 밀도가 증가하고 그 크기는 줄어들고 있다. 하지만 고속 스위칭에서 전압 및 전류가 더욱 빠르게 변함에 따라 전도성 또는 방사성 전자기 간섭 (Conducted or radiated electromagnetic interference, EMI) 노이즈는 더욱 심각하게 발생하게 된다. 전력변환 시스템으로부터 전력선을 통하여 방출되는 전도성 노이즈 (conducted emission)는 이와 연결된 전력망이나 다른 시스템에 전자기적 오동작이나 성능 저하를 유발할 수 있어, 각종 국제 규격에서 그 크기를 제한하고 있다. 전력변환회로의 전도성 노이즈 발생원 자체의 크기는 제한 규격보다 훨씬 큰 경우가 대부분이므로, 통상 이를 억제하기 위해서 EMI 필터를 설계하여 전력선 입구 쪽에 장착 하게 된다. EMI 필터는 EMI 노이즈 발생원으로부터 노이즈 수신기까지 노이즈 전달 경로의 임피던스 부정합을 극대화 시키는 원리에 의해 노이즈를 차단하는데, 통상 공통 모드 (common-mode, CM) 초크와 X-커패시터 및 Y-커패시터로 구성되게 된다. 즉, 차동 모드 노이즈는 X-커패시터와 CM 초크의 누설인덕턴스로 구성된 L-C필터 구성에 의해 차단되며, 공통 모드 노이즈는 Y-커패시터와 CM 초크의 공통모드 인덕턴스로 구성된 L-C필터 구성에 의해 각각 차단된다.

  이러한 수동적인 ‘차단’ 개념 외에도 능동적인 ‘상쇄’ 개념을 이용하여 EMI 노이즈를 제거할 수 있다. 예를 들어, 잡음 제거 헤드폰에서 외부 소리 잡음을 감지하여 반대의 잡음을 귀에 쏘아 주는 원리로 외부 잡음을 제거할 수 있는 것처럼, 전도성 노이즈를 감지하여 반대 위상의 신호를 생성하여 쏘아주면 노이즈를 제거할 수 있다. 하지만, 이러한 능동 EMI 필터 (active EMI filter, AEF) 에는 귀환 회로 증폭기 설계가 필요하여 수동 EMI 필터보다 설계가 까다롭고 제작 비용도 더 비싼 경우가 많아, 현재까지 실용적으로는 거의 쓰이지 않아 왔다. 특히, EMI 필터는 전력선 입구 쪽에 장착되므로 surge나 electric fast transient (EFT) 등 외부로부터 인가될 수 있는 강한 교란 신호에 대해 강건하며 고장이 나지 않아야 하는데, 능동 증폭기는 수동 필터 소자보다 외부 교란 신호에 취약할 것이라는 우려 때문에 실제 현업의 전력변환 시스템에 적용되는 경우는 극히 드물었다. 하지만 최근 일련의 연구들로 능동 EMI 필터의 안정성과 신뢰성 문제를 대폭 개선하여, 실용화에 성큼 다가서고 있다.

  본고에서는 능동 EMI 필터의 기본 구성과 특징 분석, 구현 및 성능 예시에 대해 소개할 예정이다. 또한, 수년간 능동 EMI 필터를 현업에 적용하기 위한 연구를 수행하면서 필자가 느낀 능동 EMI 필터 상용화를 위해 극복해야 할 문제점 및 향후 필요한 연구 방향 등에 대해서 논의하고자 한다.

능동 EMI 필터의 구성과 특징 분석

  능동 EMI 필터의 전체적인 토폴로지는 노이즈 감지 및 보상 방법에 따라, 전압 감지-전압 보상 (VSVC), 전류 감지- 전류 보상 (CSCC), 전류 감지- 전압 보상(CSVC), 전압 감지- 전류 보상 (VSCC) 로 분류할 수 있다. 또한, VSVC와 CSCC 구조에서는 노이즈 감지를 노이즈 발생원 쪽에서 하느냐 수신단 쪽에서 하느냐에 따라 피드백, 피드포워드로 추가로 분류가 되어, 그림 1과 같이 총 6가지로 구조를 분류할 수 있다 [1].

(a) 등가 L 또는 등가 C 역할에 따른 분류

  그림 1과 같이 회로 구성 방식에 따라 분류된 능동 EMI 필터를 기존 수동 EMI필터 구성 성분 중에 L의 역할을 하는지 C의 역할을 하는지에 따라 다시 분류하여 이해하면 전체 필터 설계 시에 매우 유용하다. 즉, 전압 보상을 하는 토폴로지 (FB-VSVC, FF-VSVC, CSVC) 들은 공통적으로 전력선에 상쇄 전압을 유기하여 수신단의 전압 변화를 억제하므로, 마치 전력선에 존재하는 큰 L성분처럼 역할을 한다. 한편, 모든 전류 보상 토폴로지 (FB-CSCC, FF-CSCC, VSCC) 들은 감지된 노이즈 전류를 shunt 경로로 빼주어서 수신단에 노이즈 전류가 흐르지 않게 하므로, 마치 수신단 앞에 존재하는 큰 shunt C 성분과 같은 역할을 한다. [2]-[4]

  그림 2 (a), (b) 에 전압 보상 토폴로지 (FF-VSVC) 형태로 실제 구현한 능동 EMI 필터의 직렬 임피던스의 측정값과, 전류 보상 토폴로지 (FF-VSVC) 형태로 구현한 필터의 병렬 shunt 임피던스의 측정값을 예시로 각각 plot 하였다. 능동 EMI 필터에 전력을 인가하면, 전압보상의 경우 직렬 임피던스가 크게 증가하고, 반대로 전류 보상에 의해서는 병렬 임피던스가 크게 감소함을 알 수 있다. 즉, 전압보상 토폴로지는 필터 내 전력선의 L 성분을 크게 증가시키며, 전류보상 토폴로지는 병렬 C 성분을 크게 증가시켜서 노이즈를 차단한다. 능동 EMI 필터의 동작으로 얻어지는 등가 L 또는 C 값과 그 주파수 대역폭은 노이즈 감지 및 보상 소자의 대역폭 및 증폭기 회로의 성능에 의해 결정된다. 그런데, 그림 2와 같이 전도성 노이즈 규제 영역보다 낮은 주파수 (< 150kHz)에서는 임피던스가 변하지 않도록 하여 정상 동작이나 누설 전류에는 영향을 끼치지 않도록 해야 한다.

(b) 피드백 구조와 피드포워드 구조의 비교

  그림 1의 모든 토폴로지에서, 증폭기의 출력은 입력 노이즈 신호에 귀환 (feedback)되어 영향을 주기 때문에 피드백 (FB)과 피드포워드(FF) 구조 모두 피드백 증폭기의 동작 및 설계 원리를 따르며, 그에 따라 귀환 회로 안정성 (feedback stability)이 보장되지 않으면 발진하고 제대로 동작하지 않는다.

피드백 구조와 피드포워드 구조 간의 장단점을 서로 비교하기 위해, 예시로서 FB-CSCC와 FF- CSCC 구성의 능동 EMI 필터 회로와 그 피드백 블록도를 그림 3에 다시 나타내었다[5].

  Z_LISN은 능동 EMI필터로부터 Line impedance stabilization network (LISN) 의 노이즈 수신기 측으로 바라본 임피던스를 나타낸다. Z_amp와 Z_S는 증폭기 입력 임피던스와 equipment under test (EUT)의 노이즈 소스 임피던스를 나타낸다. Z_AEF는 능동 EMI 필터의 전류 보상 회로에 의한 등가 shunt 경로 임피던스를 나타낸다. I_LISN과 I_inj는 각각 Z_LISN쪽에 흐르는 전류와 보상 주입 전류를 나타낸다. I_S는 EUT 노이즈 소스의 등가 전류를 나타낸다. F_AEF는 능동 필터 내 ‘전류 의존- 전류 소스’의 총 이득을 나타낸다. 그림 3의 각 회로도와 블록도로부터, 능동 EMI 필터의 귀환 이득(loop gain)과 등가 shunt 임피던스 Z_AEF는 표 1과 같이 계산된다.

능동 EMI 필터의 귀환 안정성은 귀환 이득으로부터 판별 가능하며, 노이즈 감쇄 (noise attenuation, NA) 성능은

와 같이 Z_AEF 로부터 계산 가능하다.

  FB-CSCC 구조의 NA는 (Z_LISN << Z_S) 조건에서 F_AEF에 거의 비례하기 때문에 높은 이득 증폭기와 높은 전압 이득을 갖는 (높은 권선비를 갖는) 노이즈 감지 변압기가 필요하다. 높은 권선비는 변압기 크기를 증가시키고 권선의 기생 커패시턴스를 증가시켜 변압기의 주파수 대역폭을 감소시키며, 변압기 코어의 자기 포화를 쉽게 일으키게 된다. 하지만 FF-CSCC구조에서는 NA 성능이 F_AEF가 1일 때 최대가 되므로, 단일 권선비와 이득값이 1인 증폭기를 사용할 수 있다. 낮은 권선비로 인해 노이즈 감지 변압기의 크기가 작아질 수 있으며 권선 기생 커패시턴스 및 자기 포화의 영향이 크게 완화되지만, F_AEF가 1 값을 벗어남에 따라 성능이 급격히 떨어져 성능 최적화가 민감하고 어렵다.

귀환 이득 측면에서는, FB-CSCC 구조의 귀환 이득이 FF-CSCC의 귀환이득보다 훨씬 크게 되어 귀환 안정성 확보가 더 어렵다. FF-CSCC의 귀환 이득은 F_AEF가 1에 가까울 경우에 매우 작게 되므로, 시스템 발진 문제는 보통 발생하지 않는다. 이러한 피드백 구조와 피드포워드 구조 간의 장단점은 FB-VSVC와 FF-VSVC 사이에서도 유사하게 발생한다.

(c) 감지/보상 소자와 증폭기 회로부 종류

  전류 감지 및 전압 보상을 위한 소자는 주로 변압기를 이용하여 구현하며, 전압 감지 및 전류 보상을 위한 소자는 커패시터로 구현한다. 그림 4 (a), (b)에 공통모드 노이즈 감지 및 보상을 위한 변압기와 커패시터 소자의 예시를 단상용, 삼상용의 경우로 나누어 나타내었다.

  보상 소자의 경우에, 변압기를 이용하는 전압 보상 구조는 전력선에 직렬 L성분을 생성하며, 커패시터를 이용하는 전류 보상 구조는 전력선에 shunt C 경로를 형성하는 것을 알 수 있다. 변압기는 커패시터에 비해 크기가 크다는 단점이 있지만, 전력선과 능동 증폭부 간 절연되는 장점이 있다. 반면, 커패시터는 크기가 작아 좋지만, 전력선과 증폭기단이 커패시터로 직접 연결되는 단점이 있다. 변압기의 1차측과 2차측 권선 사이에는 교란 전압신호가 크게 감쇄되어 잘 전달되지 않지만, 커패시터로 연결된 경우에는 교란 신호 전압이 거의 그대로 전달될 수 있다. 따라서, 능동 EMI 필터의 토폴로지 종류에 따라 등가 필터 역할 (L 또는 C) 뿐만 아니라, 필터의 크기, 외란에 대한 강건성이 모두 달라진다.

  한편, 능동 증폭기 회로부는 그림 4 (c) 와 같이 상용 OP amp를 이용하거나 개별 트랜지스터 소자로 설계할 수 있다. 상용 OP amp를 이용하면 설계 및 귀환 회로 안정성 분석이 쉽지만, 가격이 상대적으로 비싸며 전류 용량이나 사용 전압에 제약이 크다. 증폭기를 개별 트랜지스터를 이용하여 class AB push-pull 형태로 설계하면 좋은 가성비를 얻을 수 있지만, 귀환 회로 안정성 분석 및 설계가 상당히 까다롭다. 보다 복잡한 구조의 증폭기 회로는 가격이나 성능 측면에서 집적회로 (IC)로 제작해야 할 것으로 보이며, 충분한 노이즈 보상 전류 및 전압 주입을 위해서는 전력반도체 공정으로 IC를 제작해야 할 것이다.

  한편, 아날로그 회로가 아닌 디지털 회로를 제어하여 보상 신호를 생성하는 연구도 있어왔으나, 수 MHz대역까지 동작하려면 매우 고속의 디지털 회로를 이용해야 해서, 이를 필터부에 별도로 구현하기에는 너무 비효율적이다.

능동 EMI 필터의 구현 및 성능 예시

  수동 EMI 필터를 대체하거나 그 성능을 개선하기 위해서, 능동 회로 소자를 이용하는 능동 EMI 필터에 관한 연구는 2000년대에 들어 학계에서 본격적으로 시작되었다. 그 후 현재까지 수많은 논문에서 dc-dc 및 ac-dc 컨버터와 인버터 등 다양한 전력변환 시스템에서 차동모드 또는 공통모드 전도성 노이즈를 감쇄하는 능동 EMI 필터의 개발하고 성능을 시연하였고, 능동 회로 동작으로 인해 전도성 노이즈 감쇠 성능이 10 – 40 dB 정도가 나옴을 보여 왔다.

  그런데, 차동 모드 노이즈 감쇄용과 공통 모드 노이즈 감쇄용은 그 연결 구조나 설계 방법, 역할이 상당히 다르다. 차동 모드용 능동 EMI 필터는 두 전력선 간에 배치되므로, 고전력 시스템에서는 변압기를 이용한 차동 전압 보상이 어려워 주로 차동 전류 보상 방식을 이용한다. 또한 3상 시스템에서는 차동 모드가 복잡하게 정의되어 주로 단상용으로만 연구되었다. 차동 모드 능동 EMI 필터를 이용하면 기존 수동 X-커패시터의 값이나 개수를 줄일 수 있는데, 가격에 비해 그 효과가 그리 커 보이지 않는다.

  공통 모드용 능동 EMI 필터는 두 전력선과 접지 사이에 배치되어 공통모드 초크의 값이나 개수를 줄일 수 있다. 수동 필터의 Y-커패시터는 누설전류 안전 규정에 의해 그 값이 통상 수 nF 이하의 작은 값으로 제한되어, 저주파 공통 모드 노이즈를 잡기 위해서는 주로 CM 초크 성능에 의존하는데, 능동 EMI 필터는 이러한 CM 초크의 부담을 크게 줄여줄 수 있다. 특히 고전류, 대전력 시스템에서는 전력선이 굵고 전류가 커서, CM초크의 크기가 매우 크고 발열 문제도 심각하며 자기포화를 막기 위해 고가의 코어 물질을 쓰기 때문에 능동 EMI 필터 적용 시 그 효과와 장점이 가장 크다고 보인다.

  따라서, 필자의 연구실에서는 CM 초크를 줄일 수 있는 공통 모드 노이즈 제거용 능동 EMI 필터를 집중적으로 개발하였으며, 개별 회로 소자 (discrete component)를 이용하여 개발 제작한 구조의 예시를 그림 5에 나타내었다 [2]-[3], [5]. 그림 5 (a)는 FF-VSVC 토폴로지이며 상용 OP amp를 이용하여 구현하였고, (b)와 (c)는 각각 VSCC, FF-CSCC 토폴로지이며 둘 다 class AB push-pull 증폭기로 구현하였다. 모두 30mm × 30mm 이내의 작은 보드 면적에 구현 가능하고, 소모 전력은 수백 mW 정도로서 적용하고자 하는 전력시스템 내 제어보드의 저전압 DC 전원으로부터 공급받도록 하였다.

  그림 5 (c)의 능동 필터를 실제 전력변환 시스템에 적용하여 공통모드 전도성 노이즈를 측정한 결과를 그림 6에 나타내었다. 전체 필터 내에 능동 회로의 적용 전과 후를 비교하면, 능동 EMI 회로 동작에 의해 수 MHz 이하 저주파 대역 노이즈가 10dB - 30dB 가량 크게 감소함을 알 수 있다. 동일한 필터 성능을 기준으로, 능동 소자를 이용하면 기존 수동 소자만을 이용하는 경우보다 전체 필터의 체적이 수십 퍼센트 이상 크게 감소하였다.

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  [그림 5] 공통 모드용 능동 EMI 필터 예시 [2], [3], [5] (a)FF-VSVC (b)VSCC (c)FF-CSCC

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  [그림 6] 능동 EMI 필터 회로 (AEF) 적용 전/후 전도성 노이즈 측정 결과

능동 EMI 필터의 극복해야 할 점

  앞서 언급한 바와 같이, 고전류/ 대전력 시스템일수록 수동 EMI 필터의 크기, 발열, 성능 문제가 심각해지므로, 능동 EMI 필터를 적용할 때의 이점이 커진다. 하지만 능동 EMI 필터를 고전압 (48V 이상) 시스템에 적용하기 위해서는 다음과 같은 3가지의 중요한 문제점을 해결해야 한다.

  (1) 능동 EMI 필터의 회로 구동을 위해서는 전력을 공급해야 한다. 노이즈를 보상하면서 그 전력선의 고전압을 바로 이용하는 방법이 있으나, 이 경우 고전압 능동 소자가 필요하여 가격이 높아지고 전력 소모도 증가한다. 전력선의 고전압을 능동 EMI 필터 내에서 저전압 DC로 낮추어 이용할 수도 있으나, 이 경우 별도의 전력 변환 회로가 필요하여 역시 가격이 높아진다. 가장 좋은 방법으로는, 전력시스템의 제어보드에는 통상 10V - 30V 범위의 저전압 DC 전원이 항상 존재하므로 이 전원을 이용하는 방법이다. 하지만 이 경우 고전압 전력선과 제어보드 전원이 능동 필터 내에서 서로 공존하게 되어 두 전원간 간섭이나 신뢰성 확보가 필수적이다. 또한 제어보드로부터 필터부까지 전원선을 끌어와야 하는 번거로움도 있다.

  (2) 두 번째 문제점은 뇌서지나 EFT (electric fast transient) 등 외부 과전압 교란 신호에 대한 신뢰성 확보이다 [6]-[7]. 고전압 전력 시스템이 계통 전원이나 다른 전력 시스템 등에 연결되어 동작할 때 과전압 교란 신호가 전력선으로 유입될 수 있는데, EMI 필터는 전력선 입구에 배치되므로 이러한 과전압 교란 신호에 직접 영향을 받게 된다. 기존 수동 EMI 필터에서는 이를 고려하여 고전압 소자를 선택하면 되는데, 새롭게 능동 EMI 필터를 적용하면 능동 회로 소자들이 모두 과전압 교란 신호에 대해 신뢰성이 확보되어야 하는 어려움이 있다. 즉, 감지와 보상 소자가 전력선과 회로부 사이에 연결되는데, 이를 통하여 전달되는 과전압 교란 신호에 의해 능동 회로가 손상을 입지 않아야 한다. 그림 4 (a)의 변압기를 이용하는 경우와 (b)의 커패시터를 이용하는 경우는 과전압 신뢰성 측면에서 큰 차이가 있다 [7]. 즉, 뇌서지 신뢰성을 고려하면, 고전압 시스템에서는 저전압 능동 EMI 회로부와 고전압 전력선이 커패시터로 바로 연결되는 것은 용납되지 않으며, 반드시 변압기로 절연이 되어 있어야 한다. 따라서 그림 1의 토폴로지 중 비절연 구조는 그대로 사용할 수가 없으며, 절연 구조로 변형해야 한다.

  (3) 마지막으로, 능동회로의 귀환 안정성 문제이다. 능동 EMI 필터에서 노이즈를 감지한 후 보상신호를 생성하여 주입하는 속도가 충분히 빠르지 않으면, 노이즈를 오히려 증폭시키고 발진할 수 있으며, 이는 피드백 귀환 안정성으로 표현된다. 독립적으로 안정한 회로를 설계하는 것도 까다롭지만, 능동 EMI 필터는 다른 수동 소자와 함께 전체 EMI 필터를 구성하도록 이용되어야 하기 때문에, 임의의 전체 필터 구성에 포함 되어 동작해도 발진하지 않도록 해야 하는 것은 매우 까다롭다. 그림 4의 능동 EMI 필터의 토폴로지에 따라 귀환 안정성이 매우 다른데, 전체 필터 구성에서 안정성이 보증 가능한 적절한 구성을 선택해야 한다. 그리고 능동회로 동작의 발진 여부는 전력시스템에 탑재하여 동작 시키기 전에 검증해야 해서, 효율적인 귀환 안정성 테스트 측정 방법 관련하여 충분한 노하우가 필요하다.

  필자의 연구실에서는 위와 같이 능동 EMI 필터의 실용화에 걸림돌이 되는 3가지의 주된 문제점을 발견하여, 최근에는 노이즈 감쇄 성능 설계 외에 이를 해결하기 위한 연구에 많이 집중해 왔다 [8]. 특히, 능동 EMI 필터의 전자기 내성 (EMS, electromagnetic susceptibility) 문제는 전 세계적으로 연구가 전무하여, 이에 관한 연구를 개척하고 있다.

결론

  최근 전기자동차와 에너지 저장 시스템 등 전력변환 시스템의 용도와 중요성이 확산되고 EMI 노이즈는 증가하는 반면, 제한 규격은 더욱 다양해지고 엄격해짐에 따라, 능동 EMI 필터에 대한 관심과 중요성이 갈수록 높아지고 있다. 능동 EMI 필터는 기존 수동 필터의 크기뿐 아니라 가격까지 줄여줄 수 있는 매우 유망한 기술이라 생각한다. 그런데 많은 논문에서 훌륭한 성능은 보여주고 있지만, 실용화를 위한 연구는 상당히 미흡한 실정이다. 하루 속히 능동 EMI 필터가 실용화되어, 전기자동차 및 산업용 대전력 시스템에 적용되고 추후 모든 가전 제품에도 적용되어, 모든 전력시스템의 EMI 필터가 더욱 작고 가볍고 저렴해지길 기원한다.

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  김 진 국 부교수

  • 소속  울산과학기술원 전기전자컴퓨터공학부
  • 주 연구분야  EMC, ESD, Signal integrity
  • 이메일  jingook@unist.ac.kr
  • 홈페이지  icemclab.unist.ac.kr