이 글은 EMI 입력 필터, 6.6kW 전기차 충전기 감쇠량과 소자값 계산을 2편으로 나누어 정리한 시리즈의 1편입니다. 이번 편에서는 6.6kW 완속 충전기 정류단 노이즈와 EMI 필터의 필요성, 차동 모드와 공통 모드 필터 동작 원리, EMI 필터 차단 주파수와 소자값 계산식 유도를 다룹니다.
6.6kW 완속 충전기 정류단 노이즈와 EMI 필터의 필요성
전기차 완속 충전기는 교류 220V 상용 전원을 입력받아 차량 내부 배터리를 충전하기 위한 직류 전력으로 변환하는 탑재형 충전기(OBC) 시스템의 핵심 장치입니다. 공칭 출력 6.6kW급 단상 충전기는 220V_rms 전압에서 약 30A_rms의 대전류를 연속으로 처리합니다. 이 전력 변환 과정의 첫 단계인 정류기 스위칭 동작에서는 반도체 소자의 고속 턴온 및 턴오프 동작에 의해 급격한 전압 변화율(dv/dt)과 전류 변화율(di/dt)이 발생합니다. 이러한 스위칭 서지는 입력 전원선으로 전파되는 전도성 전자파 장해(Conducted Emission) 노이즈를 유발합니다. 전도성 EMI 노이즈는 150kHz부터 30MHz 대역에 걸쳐 엄격한 국제 표준 규격(CISPR 32, IEC 61851 등)에 의해 상한선이 규정되어 있습니다. 정류단에서 발생하는 노이즈가 계통 전원선으로 방출되면 동일 배전 계통에 연결된 주변 전자기기의 오동작을 초래하므로 입력단 정류기 전단에 적절한 감쇠 성능을 갖춘 EMI 입력 필터의 배치가 필수적입니다. 전도성 노이즈는 전파 경로와 위상 관계에 따라 차동 모드(Differential Mode, DM) 노이즈와 공통 모드(Common Mode, CM) 노이즈로 구분되며, 각 모드에 최적화된 필터 토폴로지를 구성해야 규제 기준을 만족할 수 있습니다.
차동 모드와 공통 모드 필터 동작 원리
EMI 입력 필터는 입력 전원 라인(Line)과 중성선(Neutral), 그리고 대지 접지(PE) 사이의 노이즈 전파 경로를 분리하여 차단합니다. 차동 모드 노이즈는 전원 라인과 중성선 사이를 폐루프로 순환하는 노이즈 전류입니다. 이는 정류기 브리지의 스위칭 리플 전류에 의해 주로 발생합니다. 차동 모드 노이즈를 억제하기 위해 전원 라인과 중성선 사이에 X 커패시터(C_X)를 병렬 배치하고, 공통 모드 초크의 누설 인덕턴스(L_DM)를 직렬 요소로 활용하여 2차 저역통과 필터를 구성합니다. 반면 공통 모드 노이즈는 전원 라인과 중성선에서 동일한 위상과 크기로 발생하여 전력 반도체 방열판이나 변압기 절연층 사이의 기생 커패시턴스를 통해 접지(PE)로 흐른 뒤 다시 전원선으로 귀환하는 노이즈입니다. 공통 모드 노이즈 억제를 위해서는 단일 자성 코어에 전원 라인과 중성선을 같은 방향으로 감은 공통 모드 초크(L_CM)를 직렬로 배치하고, 각 선로와 접지 사이에 Y 커패시터(C_Y)를 연결합니다. 정상 부하 전류는 초크 내부에서 서로 반대 방향 자속을 형성하여 코어가 포화되지 않지만, 동일 방향으로 유입되는 공통 모드 노이즈 전류는 자속이 보강되어 큰 인덕턴스 임피던스를 나타내며 고주파 성분을 효과적으로 차단합니다.
EMI 필터 차단 주파수와 소자값 계산식 유도
EMI 입력 필터의 감쇠 성능은 2차 LC 저역통과 필터의 차단 주파수(f_c)를 적절히 선정하여 결정합니다. 2차 필터는 차단 주파수 이후 주파수가 10배 증가할 때마다 40dB의 감쇠율(-40dB/dec)을 제공합니다. 정류기의 스위칭 기본 주파수를 f_sw라 하고, 해당 주파수에서 전도 노이즈 측정치와 규제 기준치 간의 차이에 설계 여유를 더한 필요 감쇠량을 Att_req(dB)로 정의합니다. 필요 감쇠량을 달성하기 위한 차단 주파수 f_c의 관계식은 다음과 같습니다.
식 (1)의 양변을 정리하여 목표 차단 주파수 f_c를 계산하는 식을 유도하면 다음과 같습니다.
2차 LC 필터의 공진 주파수에 따른 차단 주파수 f_c는 인덕턴스 L과 커패시턴스 C의 곱으로 결정하며 기본 관계식은 다음과 같습니다.
식 (3)의 양변을 제곱하여 필요한 LC 곱을 구하는 식은 다음과 같습니다.
차동 모드 필터에서는 인덕턴스로 누설 인덕턴스 L_DM을 사용하고 커패시터로 C_X를 적용합니다. 공통 모드 필터에서는 공통 모드 초크 인덕턴스 L_CM과 선로-접지 간 병렬 연결된 2개의 Y 커패시터 합성 용량인 2 * C_Y를 적용하여 각각의 소자값을 산정합니다.
다음 편에서는 이어지는 내용을 계속 설명합니다.