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AC-DC 컨버터용 모듈형 EMI 필터 선택


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글/게리 보콕, 기술 이사, XP Power


AC 주전원 장비의 경우 커넥터에 통합된 모듈식 AC 라인 필터를 사용하거나 섀시 마운트 부품으로 사용하는 것이 일반적이다. The 장비에는 일반적으로 내장된 AC-DC 컨버터 또는 섀시(마운트또는 랙 또는 PCB 장착)가 포함될 수 있는 전원 공급 장치가 포함된다. 각각의 경우, 전원 공급 장치는 일반적으로 전도 및 방사 간섭에 대한 EN55011/EN55032와 같은 독립형 부품으로서 전자파 배출에 대한 법적 요구 사항을 항상 충족한다. 

추가 필터 모듈이 필요한 이유를 묻는 메시지가 표시될 수 있지만, 노련한 장비 설계자는 최종 제품에 대한 EMC 규정 준수 ‘통과’가 단순히 규정을 준수하는 구성 요소를 사용하는 것만으로는 보장되지 않는다는 것을 오랫동안 알고 있다. 그 이유는 다양한 이유이다: 예를 들어 장비 AC-DC 컨버터에 대한 컴플라이언스 테스트는 접지와 관련하여 AC 라인 임피던스, 출력 로딩, 길이 및 케이블의 길이 및 라우팅의 매우 구체적인 조건에서 수행된다. 최종 제품을 내부에 장착된 이 AC-DC 컨버터로 테스트할 때 이러한 모든 조건이 달라져 다른 경우가 많으며 종종 악화되는 EMI 시그니처가 발생한다. 다른 구성 요소에서 방사 된 EMI는 또한 전도 레벨에 추가, 전원 케이블에 픽업 할 수 있다.

모듈식 필터를 통해 시스템 EMI 준수 가능
외부 모듈형 필터가 솔루션이 될 수 있지만 수백 개의 필터중에서 선택할 수 있는 최적의 필터는 무엇인가? 먼저 일반적인 상용 필터의 내부 회로를 살펴보고 각 구성 요소가 어떻게 기여하는지 살펴보자(그림 1).

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[그림 1] 일반적인 모듈형 EMI 필터 회로도

커패시터 CX는 컨버터 내의 급격한 전류 변화에 의해 생성된 라인에서 중립으로 나타나는 차동 모드노이즈, 신호 및 스파이크를 감쇄시키며AC 라인의 전압 과도를 견딜 수 있도록 X1, X2 또는 X3로 등급이 매겨진다. L은 그림과 같이 두 개의 권선 위상을 가진 공통 모드 또는 전류 보상 초크이다. 컨버터 내전압의 급격한 변화에 의해 생성된 공통 모드 노이즈는라인과 중립에서 지면까지 초크를 각 CY 커패시터가 노이즈 전류를 접지로 전환하여 높은 임피던스로 본다. 초크의 두 권선을 통과하는 정상적인 전류는 코어에서 필드 감쇄를 하여 높은 인덕턴스 값을 자기 포화의 두려움 없이 사용할 수 있도록 한다. 종종 L은 권선 사이의 완벽한 결합보다 적게 감겨서 일부 누설 유도가 차동 모드 감쇄를 증가시키는 별도의 시리즈 인덕턴스로 나타난다.

CX는 실질적인 한계 내에서 모든 정전 용량 값이 될 수 있지만, 두 CY 값은 접지 누설 전류 요구 사항에 의해 제한되며 정격 작동 및 과도 전압이 감소하는 Y1, Y2, Y3 및 Y4 유형에서 사용할 수 있다. Y 커패시터를 통한 누설 전류는 안전 장벽을 연결하는 잠재적인 문제이다. 장비 금속에 대한 보호 접지 연결이 실패하면 케이싱이 Y 커패시터를 통해 라인 전압까지 ‘부동’하여 감전을 일으킬 수 있다. 따라서 Y 커패시터 값은 애플리케이션 환경에 사용되는 표준에 따라 규정된 전류를 초과하여 흐르도록 제한된다. 한계는 산업 지역에서 수십 밀리암페어에서 심장 부동 의료 응용 분야에서 10μA 미만까지 다양할 수 있다.

R1은 AC 공급장치가 갑자기 제거되고 부하를 사용하여 충전을 멀리 배출할 수 없는 경우 일반적으로 1MΩ을 CX를 방전하는 고저항 저항기이며, AC 커넥터 핀에 잠재적으로 위험한 잔류전압을 남긴다. ITE 및 미디어 장비 안전을 위한 IEC 62368-1과 같은 표준에 따르면 R1은 CX >300nF의 경우 2초 후 커패시터를 60V 미만으로 방전해야 하며, CX<300nF는 더 높은 전압을 가진 커패시터를 60V 미만으로 방전해야 한다. 숙련된 인력만 액세스할 수 있는 장비의 경우 다시 허용되는 전압 제한이 더 높다. 

다른 표준은 다르지만 - 예를 들어 의료 장비에 대한 IEC 60601-1은1초 후 60V 미만으로 의 방전을 필요로하지만 CX가 100nF 미만인 경우 요구 사항은 없다. 또한 IEC 62368-1과 같은 표준은 저항이 퓨즈 전에 장착된 경우 저항이 10% 이하인 과도 전압을 견딜 수 있도록 저항에 대한 요구 사항을 적용한다. 따라서 R1은 높은 값의 부품이 될 것이다. 일부 응용 분야에서 정상 조건에서 R1에서 방출되는 전력은 미국 에너지부(DoE) 및 유럽 ErP 지침으로 기관이 지정한 대기 또는 무부하 손실에 대한 제한을 준수하는 데 제한이 있다.

그림 1에 표시된 퓨즈는 모듈식 필터, 특히 인기 있는 IEC320-C14 유형과 같은 패널 마운트 유형에 포함될 수 있다(그림 2). 

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[그림 2] 일반적인 융합 패널 마운트 EMI 필터

상용 응용 어플리케이션에서는 라인의 단수 퓨즈가 정상이다. 퓨즈 요소가 표준을 준수하는 경우 언급한 대로 R1과 같은 다운스트림 구성 요소의 사양이 완화된다. 의료 기기 및 클래스 II, IT와 같은 일부 응용 분야는 단일 퓨즈 상황에서 라이브 라인만 적용하지 않고 공급 입력단에서 짧은 보호 접지에 의존하는 연결의 우발적인 반전 가능성을 충당하기 위해 라인과 중립을 모두 적용해야 한다. 이러한 업스트림 장치는 여러 부하에 대한 배선을 보호하기 위해 높은 전류 값으로 정격화될 수 있으며 장비 결함에 대해 신속하게 차단이 되지 않아 화재 위험이 발생할 수 있다. 이중 사용은 단점이 있지만 중립 과전류 라인은 중립 퓨즈만 열 수 있으며 장비는 분명히 죽었지만 여전히 내부에 라이브 연결이 있다

필터 선택
필터의 기구적 형식은 자연스러운 출발점이다. 변형은 스위치에 대한 옵션과 없음, 응용 어플리케이션 요구 사항에 따라 하나 또는 두 개의 퓨즈와 장착에 나사 또는 스냅식 IEC 형상으로 사용할 수 있다. IEC 형상 유형은 C14의 경우 10A, C20의 경우 16A로 정격화되며 섀시 마운트 부품은 20A 이상사용할 수 있다. 섀시 마운트 필터는 일반적으로 6면 차폐와 전도성 접지 금속 형태에 직접 고정되어 매우 효과적인 EMI 감쇄를 제공한다. 

모든 유형의 경우 Y 커패시터를 생략하는 의료 용 버전으로 누설 전류를 일반적으로 최대 5μA까지 줄일 수 있다. 이는 반드시 공통 모드 감쇄가 감소되고 필터를 계단식으로 배열하는 것과 같이 다른 곳에서 보정해야 할 수 도 있음을 의미한다.

정격 전류는 가장 낮은 입력 전압 및 부하 전력 계수를 감안할 때 부하 전력 요구 사항에서 쉽게 계산할 수 있다. 예를 들어, 90VAC에서 0.9의 역률로 200W를 취하는 필터에 대한 정격은 200W/(0.9x 90VAC)의 전류 = 2.47A 및 이 경우, 3A 규격의 필터가 선택될 수 있다.

필터에서 필요한 감쇄를 선택하는 것은 장착 되지 않은 성능을 측정한 다음 외부 필터에서필요한 추가 작업을 계산하는 것이 가장 좋다. 필터 데이터 시트의 감쇄 곡선은 성능을 나타내지만 데이터 시트 성능이 지정된 테스트 조건(일반적으로 50옴 소스 및 로드 임피던스)에 속한다는 점을 염두에 두어야 한다. AC 소스는 라인 임피던스 스태빌라이저 네트워크(LISN)의 사용으로 표준화될 수 있지만, 애플리케이션 부하는 매우 다를 수 있다. AC-DC 전원 공급 장치에 내부 필터가 계단식으로 배열된 필터 모듈은 잠재적인 공진이 발생하여 중요한 주파수에서 EMI가 증폭될 수도 있는 예기치 않은 결과를 초래할 수도 있다. 

예를 들어, EMI 플롯은 XP Power의 일반적인 AC-DC 컨버터, 파트 PBR500PS12B에서 230VAC 및 그림 3에 표시된 180W에서 실행됨을 가져온 것이다. 플롯은 쿼지피크 검출을 위한 EN 55032 클래스B 방출 한계선을 잘 준수함을 보여준다. 그런 다음 그림 4와 같이 감쇄 특성을 가진 AC라인, 유형 XP-Power FCSS06SFR에 필터를 삽입했다. 점선은 차동 모드이고 실선 공통 모드감쇄이다. 결과 전체 결과는 그림 5에 제공된다. 

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[그림 3] AC-DC 전원 공급 장치, 내부 필터

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[그림 4] 모듈형 필터 타입 XP FCSS06SFR

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[그림 5] 외부 필터가 추가된 AC-DC 전원 공급 장치

최대 1MHz, 필터 감쇄는 예상량에 의해 방출을 떨어 뜨리지만 10MHz 이상에서는 모듈 형 필터가 이러한 주파수에서 종단으로 50Ω을 ‘보고’하지 않고 예상보다 낮은 감쇄를 주는 것을 의미하는 개선 기대치가 없다는 것을 알 수 있다. 이는 규정 준수를 확인하기 위해 실질적인 측정이 필요하다는 것을 확인한다.

맺음말
EMC 규정 준수를 조기에 올바르게 하는 것은 최종 제품 테스트에서 비용이 많이 드는 오류를 방지하는 데 필수적이다. 이 솔루션은 AC 입력단의 대형 모듈형 필터만이 아니라 불필요한 비용을 추가하고 비생산적일 수 있으며 예기치 않은 감쇄 결과가 발생할 수 있다. XP Power와 같은 전원 공급 장치 제조업체는 섀시 마운트 및 IEC 입력 형식의 전류 정격이 1~20A인 모듈식 필터로 AC-DC 전원 공급 장치 제품의 범위를 보완할 수 있다. 

버전은 ITE, 산업 및 저누설 의료 응용 프로그램에 사용할 수 있으며, 더 많은 추가 할 수 있는 고전류 3 상 응용 어플리케이션에 대한 필터를 포함한다. 단일 및 이중-스테이지 부품은 필요한 경우 사용자 지정 버전과 함께 향상된 감쇄를 위해 사용할 수 있다.

또한 XP-Power는 전 세계 여러 지역에서 설계 및 자사 EMC 사전 규정 준수 테스트 시설의 무료 사용에 대한 포괄적인 애플리케이션 지원을 고객에게 제공한다. 

leekh@seminet.co.kr
(끝)
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