AC-DC 컨버터의 모듈식 EMI 필터 선택

2020년 04월 27일

글/ 개리 보콕(Gary Bocock), XP Power 기술 이사

EMC 표준을 준수하려면 최종 장비에 모듈식 EMI 필터가 필요한 경우가 많다. 이 글에서는 애플리케이션에 따라 기능 및 유형이 어떻게 필요한지 설명하여 사용자가 성능과 비용에 맞는 최적의 필터를 선택할 수 있도록 한다.

모듈식 AC 라인 필터는 섀시에 장착되거나 커넥터에 통합되어 있는 최종 장비, 특히 ITE, 의료 및 산업용 전자 장치와 같은 환경에서 흔히 볼 수 있다. 필터의 목적은 전원 공급 장치, 내부 전자 장치, 고속 데이터 라인 등의 조합으로 장비에서 발생하는 전자파를 감쇠하는 것이다.

내부 전원 공급 장치는 일반적으로 자체적으로 법적 전자파 발생 표준(일반적으로 EN 55011/EN 55032)을 충족하는데, 왜 추가 필터가 필요할까? 컴플라이언스 구성 요소가 반드시 컴플라이언스 시스템을 보장하는 것은 아니다. AC-DC 컨버터가 여러 개 있는 경우 발생량이 증가할 수 있다. 또한 AC-DC는 케이블의 길이와 라우팅 및 수동 부하를 설정하여 지면과 관련된 AC 라인 임피던스, 로딩, 방향 및 부품 위치 지정이라는 특정 조건에서 테스트된다. 장비에 장착된 컨버터에는 이와 같은 조건이 표시되지 않으며 전자파 배출량이 더 높을 수 있다. 또한 최종 장비 전원 흡입구에 연결하면 다른 시스템 구성 요소에서 전도된 간섭을 가중시킬 수 있다.

EMI 준수에는 추가 필터가 필요할 수 있음

일반적인 해결책은 장비 전원 입구 커넥터에 장착되거나 장비에 가까운 모듈식 필터이다. 사용 가능한 많은 필터 중에서 필터를 선택하는 것은 최적의 성능과 비용을 위해 사소한 것이 아니다. 따라서 일반적인 필터 배열을 고려하고 각 구성 요소의 기능을 살펴보겠다(그림 1).

그림 1: 일반적인 모듈식 EMI 필터 회로

CX는 차동 모드 노이즈, 즉 라인에서 중립으로 노이즈를 감쇠한다. 환경의 '과전압' 등급에 따라 지정된 AC 라인 과도현상을 견딜 수 있는 'X' 정격 캐패시터이다. EN 60384-14에 따라 각각 4kV, 2.5kV 및 1.2kV의 피크 서비스 전압 정격을 가진 X1, X2 또는 X3 유형으로 사용할 수 있다. 응력으로 인해 커패시터 쇼트인 경우 화재 위험이 있으므로 구성 요소는 안전 기관 인증을 받아야 한다. CX의 캐패시턴스 값은 실제 고려 사항으로만 높을 수 있다. AC 라인이 분리될 때 반드시 다운스트림 회로 또는 R1에 의해 지정된 시간 내에 방전되어야 커넥터 핀에 잠재적으로 위험한 전압이 남아 있지 않다. ITE 및 미디어 안전 표준 EN 62368-1에 따르면, CX가 300nF보다 크거나 300nF 미만의 값에 대해 높은 전압이 허용되거나 훈련된 직원만이 접근할 수 있는 환경에서는 2초 후 한도가 60V 미만이다. 의료 시설의 경우 EN 60601-1에 따라 1초 이내에 한도가 60V이지만, CX가 300nF 미만인 경우에는 필요하지 않다.

R1은 가장 높은 연속 라인 AC 전압에 대한 정격이어야 하며, EN 62368-1에 따라 퓨즈 전에 장착된 경우 저항 값 편차가 10% 미만인 과도 전압도 견뎌야 한다. CX 값이 클 경우, R1은 방출 시간 사양을 달성하기 위해 상대적으로 낮은 저항이어야 하며, 결과적으로 상당한 연속 전력 소모가 발생해야 한다. 이는 US DoE 및 European ErP 지침에 의해 정의된 무부하 또는 대기 손실 한도를 충족하려고 할 때 문제가 될 수 있다.

L은 '전류 보정' 2와인딩 인덕터이며, 일반적으로 높은 스위칭 주파수 전압이 노이즈 전류를 내부 전원 공급 캐패시턴스를 통해 접지로 유도하여 라인 및 중립을 통해 반환되는 공통 모드 노이즈를 감쇠한다. 그림과 같이, 정상 작동 전류의 자기장이 양쪽 라인에서 모두 취소되고 '공통 모드' 전류를 함께 중립으로 설정하면 높은 임피던스가 '보인다'. 두 개의 커패시터 CY는 AC 소스가 아닌 로컬로 순환하도록 전류를 우회시킨다. L1은 실행 중인 전류 필드가 취소되고 코어 포화를 방지하므로 높은 값이 될 수 있지만, 일부 리크 인덕턴스를 허용하기 위해 의도적으로 권선 커플링을 줄여 차동 모드 감쇠에 도움이 되어 CX 값을 줄일 수 있다.

또한 두 개의 콘덴서 CY는 한 개가 단락되지 않고 장비 접지가 분리될 경우 장비 인클로저가 활선 상태가 될 수 있으므로 안전 기관 인증을 받아야 한다. 캐패시터 고장이 없더라도 접지 연결을 실수로 분리하면 인클로저에 충분한 '누출 전류'가 발생하여 충격을 줄 수 있으므로 캐패시턴스 값은 해당 표준에 따라 최대 '터치' 및 '인클로저' 누출 전류를 공급하도록 제한된다. 한계치는 경전선이 있는 일부 산업 지역에서는 밀리암페어일 수 있으며, '심장 부동' 의료 환경에서는 10μA 미만으로 제한될 수 있다. 또한 최대 8kV의 피크 테스트 전압에 대한 AC 소스 클래스, Y1, Y2, Y3 및 Y4에 따라 캐패시터가 지정된다.

그림 1의 퓨즈는 흔히 사용되는 IEC320-C14 유형과 같은 패널 장착 모듈형 필터에 포함되어 있다(그림 2). 일부 표준에서는 라인 연결만 퓨전해야 하고, 의료 및 IT에서는 라인 및 중립을 모두 퓨전해야 한다. 단일 퓨즈의 경우 입력이 실수로 반전되면 퓨즈가 중립 위치에 있고 중립 및 접지가 일반적일 때 바이패스되므로 보호가 업스트림 퓨즈 또는 차단기에 의존하게 되며, 이는 다른 장비에 공통적으로 적용되며 결과적으로 높은 전류 트립 정격으로 이어질 수 있다. 필터링된 장비로 유입되는 전류는 화재 위험을 나타낼 수 있다. 라인 및 중성 퓨즈를 사용하면 역공급이 적용된다. 그러나 중성 연결부의 퓨즈가 중립 과전류 라인 등의 고장을 통해 개방될 경우, 기기는 겉보기에는 '사망' 상태이지만 내부에 활선 연결이 있다. 이에 대응하기 위해 중성 퓨즈 값을 라인보다 한 단계 높게 만들어 라인 퓨즈가 먼저 열리도록 할 수 있다.

그림 2: 일반적인 퓨즈 패널 장착 EMI 필터

모듈식 필터 선택

모듈식 필터에는 다양한 기계적 형식을 사용할 수 있다. 섀시 마운트 유형은 대개 접지된 섀시에 직접 고정되는 6면 실드 방식으로 퓨즈 및 입구 커넥터에 대한 단락 배선에 매우 효과적이다. 필터가 내장된 IEC 입구 커넥터는 나사 또는 스냅인 마운팅에서 널리 사용되는 옵션으로, 애플리케이션 환경에 따라 퓨즈가 하나 또는 두 개 있다. C14 유형은 10A 정격이며, C20 은 10A 및 더 높은 전류에 사용된다.

각 유형의 버전은 최대 누출 전류가 일반적으로 5μA인 의료 애플리케이션용 'Y' 콘덴서 없이 사용할 수 있다. 이렇게 하면 공통 모드 노이즈 감소가 감소하며, 예를 들면 계단식 필터를 사용 할 수도 있다.

부하 전력은 필터의 전류 정격을 설정하여 입력 전압과 부하 전력 계수가 가장 낮을 수 있다. 예를 들어, 전력 계수가 0.8이고 최소 90VAC인 300W의 부하에 대해서는 4.16A전류가 흐르므로 5A 필터를 고려한다.

모듈식 필터는 주파수를 사용한 감쇠 그래프를 게시했으며, 필터 없이 성능을 측정한 다음 목표에서 이 그래프를 빼서 원하는 필터 감쇠 효과를 제공하는 방식으로 유형을 선택할 수 있다. 필터에 대한 성능 데이터는 일반적으로 50옴 소스 및 로드 임피던스를 사용하는 특정 테스트 조건 하에 있으므로 실제 감쇠는 엔드 회로에 따라 달라진다. AC 소스 임피던스는 LISN(Line Impedance Stabilization Network)을 사용하여 표준화될 수 있지만 로드는 주파수에 따라 달라지며 음의 증분 임피던스를 나타낼 수도 있다. 또한 특정 주파수에서 EMI를 감쇠하기보다는 예기치 않은 결과를 초래하는 다른 영상 시리즈 필터와의 공명 위험도 있다.

실험으로, PBR500PS12B 유형인 XP Power의 AC-DC 컨버터의 EMI 성능은 230VAC 및 180와트 부하에서 그림 3에 나타낸 결과이다. 컨버터는 표준에서 요구하는 준 피크 검출에 대해 상당한 마진과 함께 EN55032 곡선 B 배출 한도를 준수하는 것을 보여주었다. 그림 4의 감쇠 특성을 가진 XP Power FCSS06SFR 유형의 추가 필터가 추가되었다. 솔리드 라인은 공통 모드 및 점선 차동 모드 감쇠이다.

방사에 대한 복합 효과의 그림은 그림 5에 제시되어 있으며, 최대 약 1MHz까지 전체 감쇠(dB)가 원래 더하기 필터 값이다. 그러나 몇 MHz를 초과하면 감쇠가 예상보다 적다. 이는 필터가 높은 주파수에서 50Ω 종료를 '보이지 않음'으로 인해 감쇠 효과가 감소하고 전자파 발생 한계의 준수를 확인하기 위한 실제 측정이 필요하기 때문이다.

그림 3: AC-DC 전원 공급 장치, 내부 필터

그림 4: 모듈식 필터 유형 XP FCSS06SFR

그림 5: 외부 필터가 추가된 AC-DC 전원 공급 장치

모듈식 EMI 필터의 유형과 성능은 복잡한 선택이며 제품 출시가 임박해야 하는 EMC 테스트에서 잠재적 재설계 비용을 피하기 위한 올바른 선택이다. 큰 필터를 사용한 과잉 살상은 비용이 많이 들고 예상치 못한 결과를 초래할 수도 있다. 제조업체 XP Power는 IEC 및 섀시 마운트 형식의 전류 정격 및 감쇠 특성을 선택하여 AC-DC 컨버터 제품을 보완하는 광범위한 필터를 제공한다. 의료용 저유량 유형을 비롯한 모든 애플리케이션에 사용할 수 있으며, 고전류 및 3상 애플리케이션에는 더욱 계획되어 있다. 다단계 필터는 필요에 따라 사용자 지정 버전뿐만 아니라 감쇠 증가에도 사용할 수 있다.

XP Power는 자사 제품에 대한 포괄적인 애플리케이션 지원을 제공하며, 전 세계 회사 위치에서 사내 EMC 테스트 시설을 무료로 사용함으로써 고객 제품의 사전 규정 준수 테스트를 지원할 수 있다.