충전 애플리케이션의 EMC 관리

자신이 충전기 설계 전문 엔지니어 팀의 일원이라고 상상해 보십시오. 새로운 프로젝트가 나왔습니다. 최종 설계가 처음으로 표준 EMC 테스트를 통과하는지 어떻게 보장합니까?

일반적인 첫 번째 단계는 특정 애플리케이션에 적용할 수 있는 관련 EMC 표준을 해석하는 것입니다. (품질, 안전, 환경 표준은 더 중요하지는 않지만 동등하게 중요하지만 이 논의의 범위에 포함되지 않습니다.) 제품이 휴대폰 및 노트북용 급속 충전기라면 상용 EMC 표준을 살펴봐야 합니다. 해당 제품이 전기차에 사용되는 온보드 충전기(OBC)라면 자동차 EMC 규격을 적용해야 한다. 무선전력전송(WPT) 기반의 제품이라면 관련 표준을 참고하고, 표준이 계속 개발 중인 만큼 변화에 주의해야 한다.

예를 들어, 표 1에는 OBC에 적용할 수 있는 일반적인 EMC 테스트 요구 사항이 나열되어 있습니다.

설계 회사와 고객이 요구 사항에 동의하면 설계 프로세스가 이어집니다. 이 설계 프로세스는 일반적으로 그림 1과 같이 단계적 접근 방식을 따릅니다. 제품 설계의 각 단계에서 EMC 설계 검토를 수행하고 PCB 프로토타입이 준비되는 즉시 예비 테스트를 준비하는 것이 좋습니다. . 이는 아마도 이후 설계 단계에서 주요 설계 변경을 피하기 위해 엄격한 EMC 제어를 보장하는 유일한 방법일 것입니다.

그림 1: 설계 단계를 보여주는 일반적인 설계 프로세스

이 기사에서는 실제 데모를 통해 설계 및 개발 단계에서 EMC 관리를 구현하는 방법에 대해 설명합니다.

컨셉 단계에서 엔지니어는 제품 요구 사항을 기반으로 충전 컨버터의 토폴로지를 평가하고 선택합니다. EMC를 염두에 두고 설계를 검토하는 것이 중요합니다. 충전 애플리케이션에 널리 사용되는 전력 변환기 토폴로지는 PFC(역률 보정) 단계와 공진 회로입니다. 일반적인 PFC 회로에는 인터리브 부스트 컨버터, 브리지리스 토템폴 컨버터, 인터리브 토템폴 컨버터가 포함됩니다. 널리 사용되는 공진 회로로는 LLC, 전류 배배 정류기를 갖춘 위상 변이 풀 브리지 변환기 등이 있습니다. 그림 2는 12kW OBC의 컨버터 토폴로지를 보여줍니다(데모 목적으로 컨버터의 레일 1만 표시됨).

그림 2: 12kW 온보드 충전기 회로도(레일 2와 3은 이 다이어그램에 표시되지 않음)

그리드의 역률을 개선하고 충전 상태에서 더 낮은 총 고조파 왜곡(THD)을 달성하려면 PFC 스테이지를 갖는 것이 필수적입니다. PFC가 없으면 충전, 특히 고속 충전 시 전압 피크에서 높은 피크 전류가 흐르고 나머지 주전원 사이클 동안에는 전류가 거의 흐르지 않습니다. 이로 인해 주전원 도체, 송전선 및 전력 변압기에 과도한 높은 전류 흐름이 발생합니다.

그림 3의 예에서는 2개의 인터리브 레일 토폴로지가 하프 브리지당 절반 전류 정격을 달성하기 때문에 인터리브 부스트 토템폴 PFC가 선택되었습니다. 이로 인해 PFC 스테이지의 입력과 출력 모두에서 리플 전류가 제거됩니다. 결과적으로 이는 벌크 커패시터의 크기를 줄이고 PFC의 EMC 영향을 낮춥니다. 그러나 이러한 접근 방식은 스위칭 장치의 수와 제어의 복잡성을 증가시킵니다. (참조 1에서는 다양한 PFC 토폴로지 간의 자세한 비교 연구를 제공하지만 EMC 성능 분석에 초점을 맞추지는 않습니다.)

그림 3: 인터리브 토템폴 토폴로지를 사용할 때의 이점 중 하나는 리플 전류 제거입니다.

의도한 애플리케이션을 기반으로 PFC 토폴로지를 선택하는 것은 설계 엔지니어의 임무입니다. 효율성, 제조 용이성, 비용, 무게, 열 고려 사항 및 EMC 간의 균형을 바탕으로 결정을 내려야 합니다. 토폴로지는 애플리케이션의 전력 정격에 따라 달라집니다. 예를 들어, 노트북이나 휴대폰의 고속 충전 장치인 경우 PFC 토폴로지는 인터리브가 없는 단순한 부스트 PFC가 됩니다. 공진 변환기 스테이지를 선택할 때에도 여러 가지 절충안을 볼 수 있습니다. ZVS(Zero-Voltage Switching)가 공진형 변환기에 널리 사용되었다는 점에 유의해야 합니다. 올바르게 설계하면 ZVS는 제로 전압 스위칭 및 공통 모드 전류 감소와 같은 기타 영역에서 상당한 회로 개선을 제공합니다.