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DC 변환기의 전자기 간섭 억제
카오스 이론을 적용한 이론 및 방법론
전기 및 전자 제품은 빠르게 발전하고 있으며, 이는 EMI 문제를 심각하게 유발하고 있다. 본고에서는 DC-DC 변환기의 EMI 억제 기술과 일반적인 EMI 필터와 전자기 차폐의 장단점에 대해 살펴보았으며, EMI 감소를 위한 카오스 제어 방법에 대해 언급하였다. 향후 전자전기 기기의 사용이 보다 기하급수적으로 생겨나고 발전할 것에 대비하여 EMI/EMC에 대한 새로운 기술을 보다 발전시켜 나가야 할 것으로 판단된다.
자료출처 : 한국과학기술정보연구원
오늘날 무선통화기와 전기자동차 등 다양한 전기전자 제품이 발명되고 생산되어 왔으며, 이는 우리의 세상과 삶을 깊숙이 변화시켜 왔다. 우리는 전기제품 없이는 단 하루도 살아갈 수 없게 되었지만, 이와 함께 다른 기기의 성능과 인체의 건강에 영향을 미치는 전자기 간섭(EMI)이라는 문제를 새로이 안게 되었다. EMI의 원인에는 대기전하/부하와 같은 자연적인 원인과 전력선과 같은 인공적인 원인이 있는데, 여기서는 현대의 주요 부품이며, EMI의 주 원인인 DC-DC 변환기의 전가기 억제에 대한 방안을 제시하였다. 일반적인 필터링과 차폐를 통해 EMI를 억제하는 방안은 비용과 효율성 측면에서 단점이 있어, 본고에서는 카오스이론(Chaos Theory)을 적용하여 새로운 이론과 방법론을 제시하고 있다. 이에 본고에서는 전통적인 EMI 억제방법, 카오스이론과 EMI 감소를 위한 카오스 제어(Chaoe control)를 연구와 실험을 통해 살펴본다.
개요
DC-DC 변환기는 다양한 전기전자기기의 주요 구성품으로 광범위하게 사용되고 있으며, 또한 전자기장을 방출하여 EMI의 주요 원인이 되기도 하다. 따라서 EMI를 조절하는 것은 EMI 환경을 깨끗하게 유지하는 아주 중요한 요소가 되었다. 이러한 목적으로 필터와 전자기 간섭과 같은 방법으로 EMI를 억제하고 있으나, 이는 비용과 부피, 중량 및 효율성에서 단점을 가지고 있다. 이에 새로운 이론과 방법이 EMI 문제를 해결하기 위해 지속적으로 제시되고 있으며, 본고에서는 새로운 카오스 이론을 적용한 EMI 억제방법을 제시하고 있다.
전자기 간섭(EMI)
EMI는 외부소스로부터의 전자기 전도 또는 방사로 인한 전기 회로에 영향을 미치는 원치 않는 간섭을 말하며, 이는 회로의 성능을 제한하고 감소시키거나 방해한다. 전자기 장이 전파하는 방법에 따라 전도와 방사 EMI로 구분된다. 저주파 EMI는 ‘전도’에 의해, 고주파에서는 ‘방사’에 의해 방출된다. 일반적으로 10kHz와 30kHz 사이 주파수에서, 전도 EMI는 전도 방향에 따라 공통모드잡음(CM)과 교차모드잡음(DM)으로 분류된다.
▶ 공통모드잡음(CM)은 전력선과 접지 사이에 항상 존재하고
같은 방향으로 모든 선을 통해 전도되는 잡음이다.
▶ 교차모드잡음(DM)은 전력선 사이에 항상 존재하고 있는
역방향으로 모든 선을 통해 전도되는 잡음이다.
5MHz 이하에서는 DM모드의 잡음전류가, 5MHz 이상에서는 CM모드의 잡음전류가 대부분이다.
방사 EMI는 전자기장을 포함하는데 전기장의 세기는 전압, 동작주파수와 실효 안테나 높이와 비례하며, 자기장의 세기는 회로 전류, 동작 주파수와 안테나 루프의 실효 면적에 비례한다. 회로 파라미터와 동작주파수는 변화기의 동작 특성으로 고정되기 때문에 변수는 전력선의 길이 또는 전력선 복귀 경로의 폐쇄 루프 면적이 변수가 된다. 따라서 방사 EMI는 잡음 발생 원인과 부하에 가능한 물리적으로 가깝게 둘수록 최소화 된다. 그러나 그러한 경우는 극히 불가능하다. 보통 EMI는 PSD 측정으로 예측되고 관측된다. 스펙트럼은 동작주파수와 고조파로 구성된다. 기본 주파수 배수에 위치한 큰 정점은 EMI를 유발한다. 변환기에서 입력과 출력의 고조파가 걸러지지 않으면 전력에 악영향을 미쳐 타 도구의 작동을 방해함으로써, EMC 문제를 야기한다.
전자기 양립성(EMC)
EMC는 다른 전자기기에 EMI 영향을 미치지 않고 운용되며, 반대로 같은 환경에서 운용되는 다른기기의 EMI에 의해 역으로 영향을 받지 않고 기능을 발휘할 수 있는 장비의 능력을 말한다. EMC 조건은 방출과 내성의 두 개념을 고려한다. 방출은 원치 않는 전자기 에너지의 발생을 말하는데, 외부 환경으로 영향을 미치지 않아야 하며, 내성 혹은 면역성은 계획치 않던 전자기 방해 환경에서 전기기기가 정상 작동하는 능력을 일컫는다.
EMC는 대부분의 전기 전자제품에서 필수적이다. 산업환경에서는 EMI를 방출하는 고주파 오븐과 모터 환경하에서 작동이 제대로 이루어지도록 해야 하며, 자동차에서는 무선전화기 사용환경과 점화장치를 방해하는 다른 차량에서 작동이 잘 이루어지고록 해야 한다. 자동조정 휠체어는 무선전화기와 노트북을 휠체어에 앉아 사용시에도 정상적으로 작동되어야 하며, 고주파 방사 의료기기도 병원기능에서 적합하게 작동되어야 한다.
DC-DC 변환기
DC-DC 변환기는 회로의 주 스위치의 듀티주기를 변화하여 한 전압에서 다른 전압 레벨로 DC 전류를 변화하는 회로를 말하며, 모든 전기 전자기기에 광범위하게 적용되고 있다. 예로, 랩톱 컴퓨터와 휴대전화는 DC 전류를 사용한다. 그러므로 AC-DC 변환기가 AC 전류를 이러한 DC 입력단자로 변화할 필요가 있으며, DC-DC 변환기는 배터리로부터 전력을 주로 공급받는 휴대용 전자기기에 있어 매우 중요한 역할을 한다. 그러한 전자기기는 배터리나 외부 공급원과는 다른 자신이 요구 전압을 가진 여러 부회로를 갖고 있다. 부가하여, 배터리 전압은 저장 전력이 사용될수록 감소한다. DC-DC 변환기는 동시업무수행을 위해 다중의 배터리 사용과 비교하여 공간을 저장함으로써, 저전압 배터리로부터 요구되는 출력전압을 유지하기 위한 수단을 제공하고 있다. DC-DC 변환기는 전력 레벨 또는 변환 및 스위치 형태 혹은 아래에서 설명할 회로 토폴로지와 같은 방법으로 분류된다.
토폴로지
DC-DC 변환기의 토폴로지는 그림 1과 같으며, Boost(a), Buck(b), Buck-boost(c), Cuk(d), SEPIC(e) 변환기가 있다.
기능
DC-DC 변환기의 중요한 기능은 다양한 수준에서 안정적 전압을 공급하기 위한 SMPS이다. 선형 전력공급과 같은 종래의 전력공급과는 다르게, DC-DC 변환기는 전력스위치의 듀티주기를 조절하여 출력전압을 조정하며, 이를 통해 20~30%의 에너지를 절약할 수 있다.
오늘날 높은 파워의 DC-DC 변환기는 지하철, 기차, 전기차, 트롤리 등 여러 방면에서 사용되고 있는데, 최근에는 하이브리즈 전기차, 재생 에너지 응용, 휴대전화 통신기기, TWA, 위성통신과 같은 신 기술에도 응용된다. 많은 파워전자기기는 전력선을 오염시키고 있는데 즉, 전력선에 높은 고조파 전류를 주입하여 전체 전력을 감소시키며, 전력선의 전압이 튀거나 비 정상적으로 되게 만든다. 전력선의 전자기 오염을 제거하기 위해 PFC 기술이 제안되어 DC-DC 변환기에도 점점 응용되고 있다.
새로운 세대의 DC-DC 변환기
DC-DC 변환기의 중요성으로 새로운 세대의 DC 변환기는 보다 실제적으로 상당 수준의 요구조건을 충족하도록 개발되어 왔다. 새로운 세대는 다음과 같은 특성이 있다.
▶ 고주파 트랜스
인덕터와 커패시터의 체적과 중량은 전력공급 주파수에 반비례한다. 예로 전력 공급 주파수가 50 또는 60Hz에서 20kHz로 증가될 때, 전자기기의 중량과 체적은 90~05%까지 감소할 수 있다. 따라서 고주파 사용으로 DC-DC 변환기의 전력밀도를 증가하고, 경제적 이익을 가져올 수 있다.
▶ 통합과 모듈화
비록 DC-DC 변환기의 고주파 동작의 장점이 많더라도, 이는 스위칭 손실과 높은 전류 혹은 전압 스트레스를 가져와 DC-DC 변환기의 작동을 멈추는 원인이 된다. 최근 10년간 PCB 등 다른 통합기술의 빠른 발전으로 현재 DC-DC 변환기는 통합화된 모듈로서 생산되고 있다.
모듈화는 고전력을 위한 안정적인 동작을 달성하는 데 중요하다. 예로 모듈화를 통한 분배전력시스템의 실현이 가능하다.
▶ 분배전력시스템
제품 또는 시스템의 신뢰성을 향상시키기 위해 분배 전력시스템이 사용된다. 분배 전력시스템은 방송과 재사용이 가능한 에너지 자원, 우주항공, 함정과 잠수함 그리고 전지 및 하이브리드 체계와 같은 영역에서 유용하다.
▶ 녹색화
두 가지 의미를 가지고 있다. 하나는 전력을 절약하는 것은 환경오염을 감소시킬 수 있다는 것이며, 두 번째는 전력 공급 시스템이 전력선을 오염하도록 두지 않는다는 것이다. 전력선 오염을 제한하기 위해 IEC는 IEC555, IEC917 혹은 IEC1000과 같은 일련의 EMC 표준을 정립했다.
DC-DC 변환기에서의 EMI
DC-DC 변환기는 EMI의 원천이면서 희생양이기도 하여, 전도와 방사 EMI 모두를 방출한다. 전도 EMI에서 DM 잡음 혹은 전류는 전력선과 부하를 경유하여 전력 공급으로부터 흘러들어가거나 나온다. 이는 접지와는 독립적이다. DM 잡음 또는 전류를 접지 연결을 통해 흐르지 않는다. 반대로 CM 전류는 전력선을 경유하여 전력공급원으로 혹은 외부로 같은 방향으로 흐르며, 항상 접지연결된 가장 적은 임피던스의 경로를 통해 복귀한다. CM 전류는 와류 커패시터 또는 와류 인덕터를 통해 접지로 흐른다. 일반적으로 저 또는 중간 주파수 밴드에서 스위치가 작동할 경우 실질적으로 전도 EMI만이 고려된다.
변환기는 또한 30MHz와 1GHz 사이의 주파수에서 보통 EMI 방출을 방사한다. 방사된 EMI는 전자기파의 형태로 나타나며, 회로나 이와 연결된 도선으로부터 직접적으로 대기로 방사된다. 회로나 도선은 방사 EMI를 방출하는 전송 안테나와 같은 역할을 한다. 일반적으로 전력 스위치 동작 주파수가 1GHz 이상일 때, 방사 EMI가 고려되어야만 한다.
EMI 억제 기술
1970년대 중반부터, EMI 억제를 위한 많은 방법론이 제안되었다. 이 중 EMI 필터링이 가장 초기에 사용된 일반적인 방법으로, 이는 저주파 EMI 표준 충족을 위한 전도 EMI의 감소에 사용되었다. 고주파 EMC 표준 충족을 위해 전자기차폐가 보통 적용되었으며, 이는 방사 EMI를 감소시켰다. 양 방법은 EMI를 원만히 억제하나 고비용이고, 부피와 중량이 트며, 휴대가 불리하다는 등의 단점을 가지고 있다. 보다 엄격한 국제 EMC 표준 충족과 단점을 극복하기 위해서 소프트 스위칭, 랜덤 변조와 카오스 제어와 같은 새로운 EMI 억제 기술이 제안되고 있다.
EMI 필터
기본적으로 EMI 필터는 수동 전자기기로 신호 혹은 전력 선에 발견되는 전도 간섭을 억제하는 데 사용된다. EMI 필터는 고주파 요소에 상당히 높은 저항을 사용한다. 즉, EMI 필터의 저주파 대역 설계는 접지에 효과적으로 단락함으로써 고주파 신호의 흐름을 제한한다. EMI 필터의 마지막 효과는 원치 않는 신호 세기를 줄이거나 감소시켜 다른 구성품에 최소한의 영향을 미치는 것이다.
변환기는 입력전류의 진동과 전압과 전류의 빠른 변환 때문에 EMI의 원천이 된다. 그러므로 DC 변환기의 EMI 필터는 일정 수준 이하로 EMI 방출을 감소 및 억제시키도록 설계되어야 한다. 지금까지는 수동, 능동, 하이브리드의 세 종류의 EMI 필터가 있다.
수동 EMI 필터
인덕터와 커패시터로 구성된 필터로서 LC 필터를 말한다. 전도 EMI는 CM 잡음과 DM 잡음으로 구성되어 있기 때문에, EMI 필터는 그림 2에서와 같이 두 개의 기능 블럭으로 구성되어 있다. Cx와 차등초크는 DM 잡음을 여과하기 위해 사용되며, 반면에 Cy와 공통 초크는 CM 잡음을 여과하기 위해 사용된다.
수동 EMI 필터를 설계하는 데 있어 보상 밴드폭은 상당히 좁아서 특정한 부분의 잡음만이 억제될 수 있다. 이러한 제안사항을 덜기 위해서 조율된 밴드 EMI 필터가 제안되었고, 이는 전통적인 EMI 필터링 기술과 함께 적용될 수 있다. 그러나 자기 코어의 신뢰성뿐만 아니라 크기, 중량과 온도범위의 제한사항은 명확한 설계 제한사항을 제시하고 있다.
능동 EMI 필터
일부 수동 구성품과 능동 동작 증폭 회로로 구성된 필터를 의미한다. 수동 필터의 저주파 성능 향상을 위해 능동 EMI 필터가 통합 전력전자 모듈(IPEM)에 제시되기도 하였다. 능동 EMI 필터는 수동 부품의 크기와 비용을 줄이는 데 있어 보다 효과적이다.
하이브리드 EMI 필터
수동과 능동 EMI 필터 복합체를 일컫는다. 하이브리드 EMI 필터는 능동과 수동 EMI 필터를 통합한 것으로 매우 광대역에서의 효과적인 잡음 억제를 위해 고안되었다. 하이브리드 EMI 필터는 EMI 필터링의 새 경향을 보여주고 있다.
EMI 필터 설계를 위한 중요한 고려사항에는 스토리지 커패시터와 공통 모드와 차동모드 초크를 위한 EMI 필터 커패시터와 인덕터를 어떻게 설계하는 지가 포함되어 있다. 전도 EMI를 억제하는 데는 EMI 필터링이 효과적이나, 일부 제품에는 너무 크다는 것과 잡음과 함께 신호도 억제되는 단점을 가지고 있어 전체 광대역 주파수 범위에 적용할 수 없고 좁은 주파수 범위에만 일부 적용된다.
전자기 차폐
전자기 차폐는 전도체로 구성된 장벽으로 차단함으로써 공간으로의 전자기장 침투를 제한하는 과정이다. 차폐 효율성(SE)은 SE=20×lg(E1/E2)dB이다. 보통 외부 세계로부터 장벽을 위한 담과 케이블을 통한 환경으로부터 도선을 구분하기 위한 케이블에 적용된다. 전파 전자기 방사를 막기 위해 사용되는 전자기 차폐는 3kHz에서 300GHz 사이의 RF 차폐로 알려져 있다. SMPS에 적용되는 전자기 차폐의 대중화된 방법은 금속 패키지로 둘러싸는 것이다. 그러므로 SMPS 패키지 설계는 보다 더 중요해진다. 따라서 설계된 SMP에 요구되는 회로 구성품과 기구 재료는 특정한 케이스로 패키지화 되어야 하고, 특정한 성능 요구 조건을 만족해야 한다.
회로 내에서 고주파 트랜스를 이용함으로써 SMPS 내에서 전기적 격리를 할 수 있다. 그러나 입력 전력 소스와 전력 공급 출력이 자기장을 통해 결합된다. 그러므로 고주파 트랜스의 두 와이딩 사이의 접지 컨덕터로 구설된 Faraday 차폐는 잡음 결합을 제거하는 데 사용된다. 전자기 차폐는 스트립라인, 엔클로저, 케이블 쉴드 등을 요구하기 때문에 효율적이지만 비싸다. 또한 흡기, 모니터, 소켓과 같은 많은 구멍들로 인해 EMI 차폐의 효율성을 저하시킨다.
소프트 스위칭
하드웨어 스위칭에서 일반적인 출력단의 dv/dt는 용량성 커플링으로 인해 간섭을 발생하고, 본질적으로 di/dt는 EMI를 보여주어 각각의 전도와 방사 간섭이 EMC 규정을 따르도록 해야 한다. 큰 dv/dt와 di/dt는 높은 스위치 손실을 가져와 또 다른 EMI의 원천이 된다. 이러한 문제를 위해 소프트 스위칭과 같은 많은 방법이 제시되고 있다.
소프트 스위칭은 1990년에 처음 제시되었으며, 최근에 빠르게 발전하고 있다. 소프트 스위칭의 주요 목정은 스위칭 손실을 줄이는 것으로 제로 전류 혹은 제로 전압에서 켬과 꺼짐이 스위칭하면서 변환기가 고주파에서 동작한다. 연속적으로 스위치의 전압과 전류의 빠른 변화가 감소하고 EMI는 줄어든다. EMI 억제를 위한 소프트 스위칭과 효율이 그림 3에 나타나 있다.
소프트 스위칭의 기술은 공진 스위칭, 유사 공진 스위칭 다중공진 스위칭과 제로 전류 스위칭(ZCS), 제로 전압 스위칭(ZVS)과 제로-전류전이(ZCT)와 제로-전압전이(ZVT)로 구분된다. PWM 제어와 결합된 소프트 스위칭은 많은 분야에 광범위하게 적용된다.
물론 소프트 스위칭도 제한사항이 있다. 30W 이상의 전력선을 가진 변환기에만 적용 가능하다. 또한, 공진 인덕터, 공진 커패시터, 보조 다이오드와 심지어 보조 스위치와 같은 많은 구성품이 필요하며, 이는 전력 손실의 증가뿐만 아니라 스위치 모드 변환기의 설계를 보다 복잡하게 한다.
랜덤 변조
랜덤 변조는 최근 20년 간 제안된 EMI 감소를 위한 새로운 방법이다. 랜덤 변조는 스위치 주파수가 주어진 랜덤 신호를 따라서 변하는 것을 의미한다. 따라서 전체 에너지는 보다 광역 주파수 밴드에 펼쳐지게 된다. 즉, 주파수 밴드에서 보여지는 피크는 변환기가 주기모드로 운용될 때 전체 주파수 밴드에 걸쳐 완만하게 펼쳐질 수 있다. 감소된 피크는 EMI 감소를 의미한다. 랜덤 변조에는 두 가지 제한사항이 있다. 하나는 실제 랜덤 신호가 실질적으로 만들어지기 어렵다는 것이고, 다른 하나는 랜덤 주파수는 변환기의 주파수에 근거한 파라미터 설계를 어렵게 한다는 것이다. 예로, 변환기가 주파수 f1으로 동작할 때 동등 인덕턴스는 2πf1L이다. 실제 랜덤 신호 획득의 어려움 때문에 유사 랜덤 신호가 사용되어 유사 랜덤 변조의 방법이 적용된다.
카오스 제어
랜덤 변조와 같이, 카오스의 유사랜덤성과 연속적인 스펙트럼 특성이 EMI 억제에 사용될 수 있다. 기본 주파수의 체배수에 위치한 큰 피크는 EMI를 의미한다. 만일 시스템이 카오스 모드에서 운용된다면 피크는 전체 주파수 밴드에 걸쳐 펼쳐질 수 있으며, 이를 ‘카오스 변조(Chaos Modulation)’라 부른다.
DC-DC 변환기의 카오스적 특성은 처음에서 발표되었고, 그 이후 부스트, Buck 또는 Cuk 변환기와 같은 많은 변환기에 있어 카오스적 특성에 대한 연구가 지속되고 있다. 두 종류의 카오스 변조가 제안되었는데, 하나는 보조 회로 없이 회로 파라미터를 변조하는 것이고, 다른 하나는 전체 시스템을 카오스적으로 이끌기 위해 DC-DC 변환기의 주요 제어 부분에 외부 카오스적 회로를 붙인 것이다. 두 번째 방법은 가장 흔한 PWM 제어를 포함하기 때문에 카오스적 PWM 제어 또는 카오스 기반 PWM 제어라 불린다.
파라미터 변조를 갖는 카오스 제어
카오스 제어의 이러한 종류의 첫 설계는 Deane과 Hamill이 전력공급의 EMC를 향상시키기 위해 카오스의 활용을 제안하면서 이루어졌다. 파라미터 변조는 EMI를 상당부분 억제할 수 있다. 그러나 출력파형에 상당한 리플을 가져와 SMPS의 질을 떨어뜨려 실제적으로 허용되지는 않는다. 그러므로 새로운 카오스 피크 전류 모드 부스트 변환기가 그림 4에서와 같이 EMI 감소와 리플 유지를 위해 제안되었다.
설계와는 달리 스위치 s는 주기 시간 Tc과 Ilow와 Iupp로 제어된다. 그래서 출력 리플은 쉽게 Ilow와 Iupp로 제어된다. 시뮬레이션과 실험적 결과는 Ilow를 조절하여 다른 출력 리플로 혼돈 부스트 변환기의 EMI를 억제하는 것을 보여주었다. 그래서 파라미터 변조를 갖는 카오스 제어는 리플의 크기를 제어하여 EMI를 감소시킬 수 있다. 그러나 이는 출력전류 혹은 전압의 주파수를 크게 증가시킬 수 있다. 반면 시스템이 카오스를 보이면 파라미터는 실제 작동 회로에 적용할 수 없다. 이런 문제는 이 방법의 적용을 제한하고 있다.
카오스 PWM 제어
카오스 PWM 제어는 보통의 PWM 제어에 카오스 제어의 개념을 반영한 것이다. 파라미터 변조와는 달리 카오스 PWM 제어는 DC-DC 변환기가 외부 카오스 신호를 더해주어 카오스 모드에서 작동하도록 한다. 이는 DC-DC 변환기의 설계를 보다 용이하게 한다. 외부 카오스 신호, 즉 카오스 캐리어가 디지털 프로세스에 의해 프로그램되므로 리플 크기는 프로그램으로 제어할 수 있다. 이런 응용으로, 고조파의 분배에 영향을 주고, DC-DC 변환기의 카오스적 행위는 EMI를 감소시키는 데 사용될 수 있기 때문에 카오스 캐리어는 중요한 역할을 한다. 카오스 PWM은 다양한 캐리어 주파수와 크기로 설계될 수 있다. 효율성은 실험에 의해 증명되었다.
CPWM에 의해 제어되는 DC-DC 변환기의 출력 파형의 리플은 변화하는 캐리어 주파수를 갖는 CPWM에 의해 제어되는 것 보다 상대적으로 크다. λ(xπ+1 = 1 - λ2π, λ ∈ [0.2])가 증가하면서, 출력 파형의 리플도 증가하나 스펙트럼은 변하지 않는다. 그래서 스펙트럼이 EMC 기준을 이미 만족하면, λ도 실제로 가능한 한 작아야 한다.
카오스 PWM 제어를 알기 위해서는 일반적인 PWM 제어의 제어회로보다 복잡한 제어회로를 구축해야 한다. 제어 회로는 PCB에 통합될 수 있고, 작은 칩에도 통합이 가능하다. 일반적으로, 카오스 캐리어는 디지털 혹은 아날로그 방법으로 설계될 수 있다. 디지털 카오스 캐리어의 이점은 디지털 신호가 정확하다는 것과 이 주파수와 크기는 외부 인터페이스 회로의 변화 없이도 디지털 프로세스의 프로그램으로 쉽게 조절될 수 있다는 것이다. 디지털 발생 주파수의 카오스 조절 범위는 DSP의 속도, 단일 칩 혹은 다른 디지털 프로세서의 속도에 의존하며, 가격이 비싸다. 반면, 아날로그 카오스 캐리어의 가격은 저렴하다. 조절할 수 있는 주파수는 아날로그 캐리어 회로의 저항과 커패시턴스를 변환하여 훨씬 넓다. 여러 카오스 오실레이터는 아날로그 카오스 캐리어를 디자인하여 실행할 수 있다. 그러나 아날로그 카오스 캐리어는 디지털과 같이 정확히 조절될 수 없으며, 하드웨어는 복잡하여 프로그램이 아닌 구성품에 의해 조절된다. DC-DC 변환기는 항상 높은 주파수에서 동작하고 카오스 캐리어 주파수는 DC-DC 변환기의 것보다 높아야 한다는 것은 잘 알려져 있다. 그러므로 만일 디지털 카오스 캐리어가 사용되면, 디지털 프로세스의 속도 또한 높아야 하며, 비용도 높아진다. 그래서 현존 프로세스는 실제 요구조건을 만족하기 어렵다. 대신에 아날로그 카오스 캐리어는 실행가능하고, 그림 5에서와 같이 회로를 보여주고 있으며, 낮은 주파수 밴드에서 카오스 캐리어가 더욱 효과적으로 EMI를 억제한다.
카오스 소프트-스위칭 PWM
소프트 스위칭의 기술에 대해서는 이미 설명되었으며, 카오스 제어도 이미 설명된 바와 같이 전체 주파수 밴드상에 신호 혹은 시간의 스펙트럼을 확산시켜 EMI를 낮춘다. 소프트 스위칭과 카오스 제어는 다른 방법으로 EMI를 억제한다. 이러한 두 가지 방법이 결합하여 카오스 소프트 스위칭 PWM 제어라고 붙여지고 보다 EMC를 향상시켰다.
이론적인 고려사항
카오스 제어를 수행시 시스템은 기존과는 완전히 다른 방법으로 설계되고 분석되면서 카오스적으로 동작한다. DC-DC 파라미터의 정확한 설계를 위해 eigenvector 방법과 Mean value estimation 방법 등이 제안되었는데, Mean value estimation은 회로 구성품의 선택과 파라미터 설계를 위해 카오스 PWM 부스트 컨버터의 설계를 위해 카오스 PWM 부스트 컨버터의 상태변수의 평균값을 예측하는 데 유용하다. 카오스 캐리어를 적용하여 비록 약간 리플이 증가하지만, EMI를 감소하는 DC-DC 변환기는 카오스 PWM 제어 하에서 안정적이다. EMI는 그 스펙트럼으로부터 예측될 수 있다는 것은 잘 알려져 있다.
FFT는 일반적인 스펙트럼 분석에 사용되었다. 그러나 카오스 신호의 주된 특성인 내부 하모니파에는 적용 가능하지 않다. 이를 위해 Prony 방법이 카오스 스펙트럼 예측을 위해 제안되었다. 카오스 신호를 포함하는 변환기의 스펙트럼 분석과 같은 응용에서는 FFT 대신 Prony 방법을 사용하기를 권장한다.
기타 기술
접지는 대신의 낮은 저항 경로를 제공하여 대상물로부터 EMI를 멀리 전환하는 전류의 경로를 말한다. 만일 간섭 전류가 성공적으로 땅으로 전환되면 소스로 되돌아가지 위해 다른 곳으로 돌아나오게 된다. 좋은 접지는 DC-DC 변환기의 EMI를 향상시킬 수 있다.
PCB를 위한 EMI 억제 기술 DC-DC 변환기의 모듈화와 통합과 함께 보다 많은 회로가 PCB로 통합되고 있으며, 파워 밀도는 증가시키고, 제품의 크기, 중량, 비용은 감소시킨다. 전도와 방사 EMI는 설계 이전에 조심스럽게 고려해야 한다.
결론
전기 및 전자 제품은 빠르게 발전하고 있으며, 이는 EMI 문제를 심각하게 유발하고 있다. 본고에서는 DC-DC 변환기의 EMI 억제 기술과 일반적인 EMI 필터와 전자기 차폐의 장단점에 대해 살펴보았으며, EMI 감소를 위한 카오스 제어 방법에 대해 언급하였다. 향후 전자전기 기기의 사용이 보다 기하급수적으로 생겨나고 발전할 것에 대비하여 EMI/EMC에 대한 새로운 기술을 보다 발전시켜 나가야 할 것으로 판단되며, MIL-STD-461E와 같은 군사 표준에도 본고에서 제시한 카오스 이론을 적용한 EMI 억제기술이 유용할 것으로 판단된다. |
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제목: DC 변환기의 전자기 간섭 억제
