신에너지 차량 산업의 급속한 발전과 함께, 온보드 차저(OBC)는 전력망과 동력 배터리 사이의 핵심 연결 부품으로서, 그 전자기 호환성(EMC) 설계가 점차 더 중요해지고 있다. 스위칭 모드 전원 공급 장치 내 전력 소자의 고속 스위칭은 고주파 EMI 간섭을 발생시키며, 이는 전력선을 따라 전도되는 공통모드 및 차분모드 잡음뿐 아니라 공간적으로 방사되는 간섭도 포함한다. 온보드 차저는 복잡한 자동차 전자기 환경에 적응하고, 자체 안정적인 작동을 보장하며, 차량 내 다른 전자 기기들에 간섭을 주지 않도록 견고한 EMC 필터 설계를 갖추어야 한다. 이 중 공통모드 콘드크트 와 π형 필터 회로는 EMC 필터링의 핵심 구성 요소이며, 인덕터 선택은 필터링 성능, 전체 시스템 크기, 열적 신뢰성 등을 직접적으로 결정한다.
1-EMI 잡음 원천 및 필터 아키텍처
OBC가 작동할 때, 전면부 PFC 회로의 고주파 스위칭 소자(IGBT 또는 SiC MOSFET)와 후면부 DC-DC 컨버터의 공진 회로에서 다수의 고조파 성분이 발생한다. 전도성 EMI 잡음은 두 가지 유형으로 분류된다 :차동 모드 잡음과 공통 모드 잡음이다. 차동 모드 간섭은 두 전원 입력선(L선과 N선 사이 등) 사이에서 전류 방향이 반대인 상태로 존재하며, 주로 스위칭 소자의 고속 턴온 및 턴오프로 인해 전원 루프 내에서 발생하는 전류 리플에 의해 유발된다. 공통 모드 간섭은 전원선과 접지선(PE) 사이에서 전류 방향이 동일한 상태로 존재하며, 주로 스위칭 동작 시 고전압 과도 노드가 기생 커패시턴스를 통해 접지로 결합되거나 외부 전자기장이 결합됨으로써 유발된다 .
OBC의 입력 단에는 일반적으로 π형 EMI 필터 회로가 구성되어 있으며, 인덕터와 커패시터를 조합하여 다양한 주파수 대역에서 전자기 간섭을 억제한다. 필터링 네트워크의 일반적인 구조는 그리드 측에서 순차적으로 X 커패시터(차동 모드 필터링), 공통 모드 초크, Y 커패시터(공통 모드 필터링), 차동 모드 인덕터로 구성되며, 이는 2단계 또는 다단계 필터링 구조를 형성한다. 전단부는 주로 그리드 측에서 유입되는 전도성 간섭 및 고조파를 처리하고, 후단부는 스위칭 동작으로 인해 발생하는 고주파 잡음을 추가로 감쇠시킨다. 。
그림 1. OBC 회로도
2- 공통 모드 초크의 작동 원리 및 핵심 재료 선정
2.1 작동 원리
공통 모드 차단기(코일)는 닫힌 자기 코어에 감겨 있으며, 서로 반대 방향으로 감긴 코일을 동일한 턴 수로 구성하여 공통 모드 잡음에 대한 고임피던스 억제를 달성한다. 공통 모드 전류가 흐를 때, 감김선의 자기 플럭스 방향이 동일해져 중첩되므로 공통 모드 차단기는 높은 임피던스를 나타내어 공통 모드 신호를 효과적으로 감쇠시킨다. 차분 모드 전류(예: 정상 작동 전류)가 두 감김선을 통할 때는 코어 내에서 생성되는 자기 플럭스 방향이 서로 반대가 되어 상쇄되므로, 차분 모드 신호는 거의 감쇠 없이 통과할 수 있다.
그림 2. 공통 모드 전류 흐름 시 자기장이 중첩됨
그림 3. 차분 모드 전류 흐름 시 자기장이 상쇄됨
공통 모드 차단기의 임피던스 공식에 따르면:
그리고 인덕턴스 공식은:
코어의 유효 투자율 μe는 주어진 크기 및 권선 수에서 얻어지는 인덕턴스를 직접 결정한다. 투자율이 높을수록 동일한 크기에서 임피던스가 높아져, 더 강력한 필터링 효과를 낸다. .
2.2 자기 코어 재료 선택
공통 모드 차단 코일에 일반적으로 사용되는 코어 재료로는 망간-아연 페라이트, 니켈-아연 페라이트, 비정질 합금, 나노결정 합금 등이 있다. 이들 재료의 특성 차이는 각각의 적용 범위를 결정한다. ：
◾ 페라이트: 중주파에서 고주파까지 경제적인 선택 적용 분야
페라이트(예: Mn-Zn, Ni-Zn)는 높은 비저항과 낮은 와전류 손실 덕분에 고주파 공통 모드 차단 코일의 선호 재료가 되었다. Mn-Zn 페라이트는 100kHz–1MHz 주파수 대역에서 뛰어난 성능을 보이지만, 그 퀴리 온도는 비교적 낮다(약 120℃). ，고온에서 투과율이 급격히 감소하게 함; 니켈-아연 페라이트는 고주파 대역 이상에 적합함. 초기 투과율은 낮음(μ<1000) ，그러나 고주파 안정성은 뛰어남 .
◾ 비정질 및 나노결정 합금 : 고주파, 저손실 응용을 위한 최적의 솔루션
비정질 합금(예: 철 기반 및 코발트 기반)은 급속 냉각 공정을 통해 무질서한 원자 구조를 형성하며, 매우 높은 포화 자기유속밀도(Bs 1.2T)와 극도로 낮은 고주파 손실을 나타냄. 나노결정 합금은 열처리를 통해 추가로 나노결정 구조를 형성하여, 100kHz–500kHz 주파수 대역에서 페라이트 대비 손실을 50% 이상 감소시키고 온도 안정성을 크게 향상시킴. 전기차 충전 모듈과 같이 효율성이 엄격히 요구되는 응용 분야에 적합함.
2.3 공통모드 차크 선택 시 핵심 고려 사항
（1）인덕턴스: 온보드 충전기의 작동 주파수 및 간섭 특성에 따라 적절한 인덕턴스를 선택하세요. 일반적으로 인덕턴스가 높을수록 저주파 억제 성능은 향상되지만, 회로의 삽입 손실도 증가합니다. 일반적으로 공통모드 차크의 인덕턴스는 수백 마이크로헨리에서 수 밀리헨리 사이입니다. （μH ）그리고 수 밀리헨리 （mH ）.
（2) 정격 전류: 공통모드 차크의 정격 전류는 온보드 충전기의 최대 작동 전류보다 커야 하며, 인덕터 발열로 인한 전체 시스템 효율 저하를 방지해야 합니다. 또한 정격 전류 조건에서 인덕터의 우수한 안정성을 확보해야 합니다.
（3) 주파수 특성: 온보드 충전기의 광대역 간섭 억제 요구사항을 충족하기 위해 고주파 억제 특성이 우수한 공통모드 차크를 선택하세요. 공통모드 차크의 임피던스-주파수 곡선을 확인하여 목표 주파수 대역 내에서 충분한 임피던스를 확보해야 합니다.
고출력 온보드 차저(OBC) 응용 분야에서 자동차 등급 공통모드 코일은 주로 맞춤형 요구 사항에 의해 구동된다. 코다카 전자(CODACA Electronics)의 R&D 팀은 공통모드 코일 맞춤형 개발에 풍부한 경험을 보유하고 있으며, 고객의 특성 요구 사항에 따라 신속하게 적합한 제품 솔루션을 제공할 수 있다.
3- 원리 파이(π)형 필터 회로 및 차분모드 인덕터 선택 시 핵심 고려 사항
A π 필터 회로는 두 개의 커패시터와 하나의 차분모드 인덕터로 구성되며, 그리스 문자 파이(π) 모양을 이룬다. π . 이 필터는 커패시터의 바이패스 효과와 인덕터의 필터링 효과를 활용하여 차동 모드 간섭을 효과적으로 억제합니다. 온보드 차저에서는 π형 필터 회로를 사용해 전력선 상의 간섭 신호를 추가로 줄이고 EMC 성능을 향상시킬 수 있습니다. 일반적인 온보드 차저(OBC)의 스위칭 주파수는 40kHz~150kHz이며, 전도 방출 시험은 150kHz부터 시작됩니다. 따라서 차동 모드 필터링은 주로 150kHz~1MHz 주파수 대역의 차동 모드 잡음에 초점을 맞춥니다.
Π형 필터의 차단 주파수 공식은 다음과 같습니다:
Cx는 π형 필터에서 2단계 X 커패시터의 등가 커패시턴스이다. (실제 설계에서는 일반적으로 동일한 커패시턴스를 갖는 2단계 X 커패시터가 자주 사용되므로, 결합된 등가 필터링 커패시턴스는 보통 단일 단계 X 커패시터 값에 기반해 보수적으로 추정된다). 설계 시 차단 주파수가 기본 스위칭 주파수보다 상당히 낮아야 하며, 일반적으로 스위칭 주파수의 1/5에서 1/10으로 설정하여, 목표 간섭 주파수 대역이 필터의 차단 대역(stopband) 내에 포함되도록 해야 한다.
3.1 차분 모드 인덕터의 작동 원리
차분 모드 인덕터는 주로 전원 입력 라인 내부에 직렬로 연결된 단일 권선으로 구성된다. 인덕터의 고주파 전류에 대한 임피던스 특성을 활용하여 L 선과 N 선 사이의 차분 모드 간섭에 대해 고임피던스 경로를 형성함으로써 잡음 감쇄를 달성한다. 인덕터를 선택할 때는 외부 복사 및 외부 간섭을 줄이기 위해 실드 처리된 인덕터를 우선적으로 고려해야 한다.
(1) 인덕턴스: 인덕턴스는 차분 모드 인덕터의 가장 기본적인 파라미터로, 특정 주파수에서 잡음을 억제하는 능력을 결정한다. 선정 시 목표 필터링 주파수 대역을 고려해야 하며, 일반적으로 인덕턴스 값이 클수록 저주파 잡음에 대한 억제 효과가 더 크다.
(2) 정격 전류: 이는 지정된 온도 상승 조건 하에서 인덕터가 장기간 안전하게 작동할 수 있는 최대 전류를 의미합니다. 선택 시 최대 작동 전류가 정격 전류보다 작도록 해야 하며, 충분한 여유 마진(일반적으로 ＞ 30%).
(3) 직류 저항(DCR): 직류 저항은 직류 조건에서 인덕터 권선 코일의 내부 저항을 말합니다. DCR이 낮을수록 직류가 흐를 때 발생하는 전력 소비가 작아져 전체 효율이 향상됩니다.
OBC 이 는 자동차용 응용 분야에 속하므로, 인덕터는 AEC-Q200 자동차 전자 부품 신뢰성 기준을 충족해야 합니다. 시험 항목에는 전기적 성능 시험, 기계적 충격 시험, 진동 시험, 단자 강도 시험, 납땜성 시험, 편향 습도 시험, 온도 순환 시험, 고온 저장 시험 등이 포함됩니다. CODACA는 다양한 표준 자동차 등급 전원 제품을 제공할 수 있습니다.
다음은 일부 제품의 예시입니다. 자동차 등급 인덕터 .자세한 내용은 CODACA 일렉트로닉스 공식 웹사이트를 방문해 주세요. https://www.codaca.com.cn/또는 CODACA 영업 담당자에게 문의하시기 바랍니다. 문의를 환영합니다.
그림 설명: 그림 4. CODACA 자동차용 인덕터
EN