자동차 업계 Q & A에서 EMI

니콜라 로사노 수석 전략 FA/시스템 엔지니어와의 Q&A

큐:  EMI 도전 과제를 알아보기 전에 알아야 할 것들이 있습니다?

에이:  EMI를 해결하려면 강력하면서도 확실한 실무 경험이 필요합니다. EMC 분야를 '블랙 매직'라고 부르긴 하지만, 실제로는 그렇지 않을 수 있습니다. 어떤 문제는 관련 서적을 통해 해결이 되지만, 실제 시스템에서 미세 조정이 필요한 문제들도 있습니다. 다음 네 가지 주제는 벤치에서의 실수를 줄이고 시간을 절약하는 데 필요한 배경지식을 정의합니다. 주제: 

• 전자기 적합성(EMC)의 기본 개념(추천 도서 2권).
• 전기적 노이즈를 차동 모드 노이즈와 공통 모드 노이즈로 나누는 개념 . 
• LISN (선로 임피던스 안정화 네트워크)이 무엇이며 EMI 측정에서 왜 중요한지.
• EMI 필터 설계 방법 학문적 배경도 중요하지만, 산업 현장에서의 전문 교육이 훨씬 더 효과적입니다. EMI 필터 설계는 일반적인 스위칭 주파수(약 50kHz-200kHz)를 사용할 때는 쉬워 보일 수 있습니다. 하지만 주파수 변경값이 너무 높을 때(Vicor 모듈과 같이 MHz를 초과하는 경우), 부품의 물리적 한계와 예상치 못한 복잡성이 나타나 부품 선택이 훨씬 더 어려워집니다.

모든 전원 설계자는 결국 마지막 단계에서 다시 벤치로 돌아오게 만드는 세 가지 문제(열 문제, 안전 관련 문제, 그리고 고질적인 EMI 문제)를 만나게 됩니다. 그 중에서도 EMI는 가장 예측하기 어려운 문제일 수 있습니다. EMI는 마치 풍선처럼, 한 쪽을 누르면 다른 쪽이 튀어나오기 때문이죠. 그 예시로, 전도성 방사 기준을 맞추면 복사 방사가 초과되고, 그 반대도 생길 수 있습니다. 다양한 미확인 기생 요소들이 영향을 미치기에 전원 장치에서의 EMI는 어려운 분야입니다. 그래서 벤치에서의 반복 조정은 피할 수 없습니다. 기본 원칙은, 전자기 환경에서 모든 전기 기기는 서로 간섭하지 않고 조화를 이루며 "좋은 이웃"처럼 공존해야 한다는 것입니다.

큐:  마지막으로, 전도성 방사와 복사 방사가 높을 때 생기는 주요 단점은 무엇일까요?

에이:  EMC (전자기 적합성) 트리는 전도성 방사, 복사성 방사, 전도성 방사에 대한 민감성, 복사성 방사에 대한 민감성, 4가지 분야로 나뉩니다.  

SMPS (스위칭 모드 전원 공급 장치)에서 문제가 가장 자주 발생하는 두 가지 주요 영역은 첫 번째와 두 번째, 즉 전도성 방사와 복사성 방사입니다. 이러한 맥락에서, EMI 수준이 높을 때의 주요 단점은 다음과 같이 간략히 정리할 수 있습니다.  전자기 간섭(EMI), 부품 스트레스, 규격 준수 문제, 무선 주파수 간섭(RFI), 신호 왜곡, 효율 저하 전도성과 복사성 EMI를 제어해야 하는 주된 이유는, 한 전기 시스템에서 발생한 방사가 다른 시스템 두세 개에 간섭을 일으키는 것을 방지하기 위해서입니다.  소비자 입장에서는, 이러한 EMI가 차량 인포테인먼트 시스템의 라디오 신호에 간섭하여 오디오 품질 저하나 수신 손실을 야기하는 현상으로 나타납니다.  운영 측면에서, 과도한 EMI는 차량 내부에서 사용되는 데이터 신호의 품질을 떨어뜨릴 수 있으며, 이로 인해 배출가스 및 안전 기준을 준수하기 위한 필수 데이터를 차량이 읽지 못하게 될 수 있습니다.

큐:  EMI를 해결하기 위한 전통적인 방법과 트레이드오프는 무엇일까요?

에이:  전통적인 EMI 해결 방법 및 트레이드오프는 다음과 같이 요약할 수 있습니다:
입력 및 출력 필터, 실드(차폐), 접지 기술, 스너버 회로, 스펙트럼 확산 기법, 소프트 스위칭 이 중에서도 특히 중요한 점은, 적절한 접지 경로를 확보하는 것과 전력 스테이지의 토폴로지(구조) 선택 및 제어 방식입니다. 전력 스테이지가 하드 스위칭을 사용할 경우, 높은 EMI와 스위칭 손실로 인해 MHz 수준의 고주파 스위칭을 달성하기가 어렵거나 거의 불가능해집니다. 게다가, 적절한 접지가 보장되지 않는다면, 디자이너가 필터만으로 벤치에서 EMI 문제를 해결하는 것은 불가능합니다. 레이아웃 설계는 필터 설계보다 더 중요합니다. 이 점은 SMPS 전체 개발 및 양산 과정에서 부서 간 협력이 필수적인 이유의 설명이 됩니다.

큐:  EMI 정밀 검사를 위한 테스트 대상 장치(DUT)로 간주할 수 있는 구성 요소는 무엇인가요?

에이:  이를 정확히 이해하려면 DUT (device under test, 테스트 대상 장치)에 대한 간단한 소개가 필요합니다. NBM9280은 섀시에 장착되는 비조절형, 비절연형, 양방향 고효율 DCDC 컨버터입니다. 이 장치는 매우 높은 스위칭 주파수를 갖고 있으며, 자동차 등급 인증을 받은 제품으로 선정되었습니다.  최대 효율은 99%에 이르며, 주로 자동차 산업에서 800V/400V DCDC 변환에 사용됩니다. 크기는 92mm x 80mm로 매우 컴팩트하며, 30kW의 전력 흐름을 처리할 수 있습니다. NBM은 일반적으로 차량 외부에 위치한 400V 등급의 DCDC 급속 충전기와 차량 내부의 800V 고전압 배터리 사이의 인터페이스 역할을 합니다. NBM의 주요 장점 중 하나는 전류 공유 기능 외에도, OEM이 전체 파워트레인을 수정하지 않고도 800V 배터리 환경에서 작업할 수 있게 해주므로 개발 노력과 시간을 줄여줍니다.

큐:  공통 모드(CM) 노이즈는 DUT에 어떤 영향을 미칠까요?

에이:  금속화된 부분과 접지(GND) 사이에서 노이즈를 측정하면, NBM 내부의 고전압 고속 스위칭 노드에서 발생하는 것과 유사한 정사각형 파형의 노이즈가 나타납니다. 이 노이즈는 부하량에 크게 영향을 받지 않으며, 거의 부하 독립적인 성질을 보입니다. 즉, 부하가 변해도 고조파 구성은 대체로 일정하게 유지됩니다. NBM의 금속화된 부분과 LISN 사이에 직접적인 연결이 있을 경우, 그라운드 스니퍼를 사용할 수 있습니다. 이를 통해 도금층과 접지 간의 고조파 성분을 분석할 수 있습니다. 또한, 그라운드 경로와 금속화된 부분 사이를 절연 상태로 유지하면 공통 모드 성분을 줄일 수 있어, 전도성 방사 테스트 시 전체 노이즈를 낮출 수 있습니다.

큐:  DUT(테스트 대상 장치)의 공통 모드(CM) 노이즈를 줄이기 위한 주요 팁은 무엇인가요?

에이:  분산된 바이패스 커패시터를 사용한다면 CM 성능을 개선하고 노이즈를 줄이는 데 도움이 됩니다. 이와 같은 맥락에서, 높은 dv/dt가 발생하는 영역 근처에 커패시터를 분산 배치하면, 공통 모드 노이즈가 매우 낮은 수준까지 줄어든다는 것이 입증될 수 있습니다. 이전 방식에 추가로 적용할 수 있는 또 다른 방법으로는, 전력선 주위에 페라이트 코어를 감아 전선에 흐르는 전류들이 서로 상쇄되도록 하는 것입니다. 이 접근 방식에선 리플을 줄이며 EMI 스펙트럼 감소에 매우 큰 효과를 줍니다. 외부에 부착된 페라이트는 불균형 전류 분포를 완화하는 데도 도움이 됩니다. 

큐:  CISPR 32 규격을 준수하는 데 있어 어떤 필터 토폴로지를 사용할 수 있을까요?

에이:  주요한 필터 토폴로지 3가지는 다음과 같습니다. L형 필터, 파이(π)형 필터, T형 필터 이 중 어떤 것이든, 제대로 설계된다면 전체 노이즈를 허용 기준 이하로 낮출 수 있습니다. 본 사례에서 필자는 벤치 상에서 구현이 간단하고 비용이 적게 드는 L형 필터를 사용했습니다. 

큐:  높은 동작 주파수를 사용하는 것의 장점과 단점은 무엇인가요?

에이:  동일한 전력 조건에서 높은 주파수는 곧 소형 부품을 의미합니다. 즉, 무게와 부피가 줄어드는 것이 확실한 장점입니다. 하지만, 주파수가 높아질수록 스위칭 손실이 증가하는 경향이 있습니다. 효과적인 설계 전략은 공진형 토폴로지(resonant topology)를 유지하면서 고주파를 선택하는 것입니다. 공진형 구조를 사용하는 고급 SMPS는 주파수와 무관하게 스위칭 손실을 없애고 매우 높은 효율을 달성할 수 있습니다. 

큐:  주요 교훈은 무엇인가요?

에이:  이번 사례 연구에서 얻은 주요 교훈: 

• 이 DUT에서 홀수 고조파의 진폭은 부하에 관계없이 일정하게 유지됩니다. 그러나 짝수 고조파는 부하가 증가함에 따라 증가합니다.    
• NBM9280의 금속화된 영역을 접지로부터 절연시키면 EMI 전도성 방사 .
• CISPR 25 Class 4 및 5와 같은 더 엄격한 기준을 만족하려면 1차 고조파에 대한 추가 감쇠가 필요합니다. 한 가지 가능한 해결책은 HI/PGND에 다른 페라이트 코어를 적용하여 1차 고조파에 대해 더 큰 감쇠 효과를 얻는 것입니다. 아니면 이중 스테이지 필터(double stage filter)를 고려하는 방법도 있습니다.
• 고주파 스위칭을 적용하면 매우 컴팩트한 필터 설계가 가능합니다.

니콜라 로사노(Nicola Rosano)는 2022년 EMEA의 수석 전략 응용 및 시스템 엔지니어로 Vicor에 합류하여 자동차 전력 시스템에 대한 기술 지원과 컨설팅을 담당하고 있습니다. Vicor 입사 전, 그는 탈레스 알레니아 스페이스(Thales Alenia Space)와 에어버스 디펜스 앤 스페이스(Airbus Defense and Space)에서 군사, 방위 및 우주 부야에서 근무했으며, 보그워너(BorgWarner)와 스텔란티스(Stellantis)에서 수석 하드웨어 전력 시스템 엔지니어로 근무했습니다. 그는 여러 특허를 보유하고 있으며, 아날로그/전력 전자 교육용 YouTube채널을 운영하고 있습니다. 현재 그의 연구 분야는 전력 전자, 회로 및 시스템, 전자 기기, 그리고 공학 교육입니다. 로사노는 2010년에 전기공학 학사 학위를, 2013년에 전기 공학 분야에서 우등으로 석사 학위를 받았습니다.

Nicola Rosano, Sr. Strategic FA/System Engineer