1. 서 론

최근 신재생 에너지 정책 확대로 태양광 발전, 에너지저장장치(ESS, Energy Storage System) 및 전기자동차(EV, Electric Vehicle) 등의 국내 보급 확대와 이러한 다양한 친환경 장치들이 전력 계통에 진입하며 영향을 미칠 것으로 예상된다. 특히, 인버터 및 컨버터 등에 활용되는 IGBT (Insulated-Gate Bipolar Transistor)와 같은 전력 반도체 소자는 더 높은 스위칭 주파수로 구동되며 발생한 전자파 노이즈가 주변 장치에 영향을 미칠 수 있다^(1,2). 전자파 노이즈는 주변 전기/전자 장비에 영향을 미쳐 손상 및 오작동을 일으킬 수 있으며, 이러한 오작동으로 의도하지 않은 시스템 손실을 일으키기도 한다^(3,4). 외부에 미치는 영향을 규제하고자 최근 몇 년간 전자파 적합성(EMC, Electromagnetic Compatibility)은 점점 더 중요해지고 있으며 EMC에 관한 규정이 더욱 엄격해지고 있다^(3,5). 설계 단계에서 전자파 노이즈 예측 모델링 및 효율적인 노이즈 관리에 대한 필요성이 증가하고 있다^(6-10).

기존 연구에서는 노말 모드만을 예측하거나 ⁽¹¹⁾, 공통 모드만을 예측하는 방법을 제안하였다⁽¹²⁾. 노말 모드 및 공통 모드를 같이 예측하지만 분석할 때는 각각을 따로 분석을 진행하였다⁽¹³⁾. 실제 제품의 EMI 측정 때에는 각각의 노말 및 공통 모드를 분리하지 않고 LISN(Line Impedance Stabilization Network)을 활용해서 통합된 노이즈가 측정됨으로, 통합된 노이즈를 분석하는 방법도 필요하다. 또한 기존 연구에서는 대부분 인버터 출력단과 계통 사이의 노이즈 및 전력 품질에 관한 연구이거나 ⁽¹⁴⁾, 필터에 대한 영향성을 보는 연구이다⁽¹⁵⁾. 이처럼 단상 인버터의 입력단 전원, 즉 DC 배터리 입력단의 노이즈를 분석하는 연구가 부족한 상황이다.

배터리 에너지 저장 시스템이 급격히 증가하면서 이 전원의 관리를 위해 전자제품이 많이 사용되고 있고, 이러한 전자제품의 노이즈에 대한 대책도 요구되고 있습니다. 예를 들어, 배터리를 입력 전원으로 사용하는 단상 인버터의 경우, 입력 전원에 전달되는 노이즈로 인해 배터리 관리 시스템이 오작동하면 사고로 이어질 가능성이 있다. 따라서 본 논문에서는 입력 전원으로 전달되는 노이즈를 분석하는 것을 목적으로 한다.

배터리 에너지 저장 시스템에서 단상 인버터의 입력 전원은 배터리에 연결되고, 출력은 그리드에 연결하여 유료 전력 및 무효전력 보상 제어를 제공한다. 입력 전원의 전력 변환을 위해서는 스위칭이 필요하며 이때 발생하는 스위칭 노이즈는 단상 인버터의 입력과 출력으로 전달된다. 이 스위칭 노이즈는 입력 및 출력 부하에 영향을 미쳐 입력에 병렬로 연결된 다른 전자제품에 영향을 미치거나 전원 공급 장치 성능 저하를 유발한다.

입력 전원이 전자제품의 일종인 배터리 관리 시스템(BMS, Battery Management System)인 경우, 인버터의 IGBT 스위칭으로 인해 국제 표준을 초과하는 고주파가 BMS에 전달될 때 문제가 발생할 수 있다. 이는 일반적으로 BMS가 산업별 전자파 적합성 국제 규격(예: CISPR16, CISPR25 등)의 한계를 고려하여 제작되기 때문이다. 따라서 단상 인버터 스위칭 과정에서 발생하는 노이즈가 국제 표준을 충족하는지 분석할 필요가 있다. 노이즈 분석이 가능하다면 설계 단계에서 적합한 필터를 적용하여 BMS가 적용된 배터리 등 직류 전원의 안정적인 운용이 가능하다. 개발 초기에는 저비용으로 적용할 수 있는 대책이 많으며, 양산에 가까워질수록 고비용이 발생하며 적용할 수 있는 대책이 제한적이다. 따라서, 본 논문에서는 단상 인버터의 입력 전원단에 전달되는 전도 노이즈를 회로설계 단계에서 정확하게 분석하는 방법을 제안한다. 제안한 노이즈 분석 방법을 바탕으로 개발 초기에 적절한 대책을 세우는 방법에 활용하고자 한다. 노이즈의 전파경로를 분석한 후 해당 기생 임피던스 성분을 이용하여 인버터 회로 구성에 추가하여 모델하고, 정확한 노이즈 분석을 위해 각 기생 임피던스 성분을 150kHz ~ 30MHz 범위에서 측정하여 고주파 상세 회로 모델을 완성한다. 또한 고주파 상세 회로 모델로부터 스위칭 제어과정을 노이즈 소스 모델에 반영하여 시뮬레이션 시간을 줄인 고주파 등가 회로를 모델하고, 제안한 고주파 상세 회로 및 고주파 증가 회로의 타당성은 별도의 테스트 벤치를 구성하여 실험 결과와 비교하여 검증한다.

2. 단상 인버터의 입력단 노이즈

그림 1은 계통 연계형 단상 인버터의 기본 회로이며, 단상 인버터의 기본 구조는 배터리로 구성된 전원 입력단, IGBT나 MOSFET과 같은 전력용 반도체 스위치, DC 링크 커패시터, LCL 출력 필터로 구성된다. 이러한 기본적인 형태의 단상 인버터 구조로는 회로 내에 존재하는 노이즈 성분을 분석하는 데 어려움이 있다. PWM을 발생시키는 스위칭 소자가 온오프 상태를 반복할 때마다 각 스위칭 소자의 기생 커패시터와 주변 기생 R-L 성분과의 공진 현상을 발생시킨다. 이런 경우에 기생 임피던스를 포함하지 않는 회로에서는 공진 현상을 나타내지 못하여 노이즈 분석을 정확하게 할 수 없다.

EMC는 전자 장치가 다른 기기에 영향을 주지 않고, 전자파 환경에서 정상적으로 동작하고 다른 장치에 전자파 영향을 주지 않는 것을 의미한다. EMC는 그림 2와 같이 구분될 수 있다. EMS는 전자파 방해에 대한 내성을 보유하고 있는지에 대한 규제이며, 주로 국제표준화기구 (ISO, International Standards Organization)에서 관리하고 있다⁽³⁾. EMI는 전자파 방사 및 방출에 대한 규제이자, EMC 관점에서는 EMI를 방출하지 않거나 최소한으로 관리하는 것을 요구하고 있으며, 이에 대한 관리는 국제무선 장해 특별위원회 (CISPR, Comite International Special des Perturbations Radioelectriques)에서 관리하고 있다. 본 논문에서는 전도 노이즈에 대해서만 나타낸다.

단상 인버터로부터 전원 입력단으로 방출되는 전자파 전도성 노이즈 측정은 CISPR 25의 규정을 따라 측정한다. 단상 인버터의 입력 전원단으로 전달되는 노이즈 측정을 위한 LISN (Line Impedance Stabilization Network)과 측정 장치인 스펙트럼 분석기를 연결한다. DUT (Device Under Test)와 전원 공급 장치 사이에 LISN을 연결한 후, 스펙트럼 분석기에서 LISN을 통과한 DUT에서 발생하는 노이즈를 측정한다. 이러한 노이즈 측정을 위한 LISN과 스펙트럼 분석기의 연결 모식도는 그림 3에 나타낸다.

그림 4는 CISPR 규격 내 전도 노이즈 측정에 관한 예시이다. 접지판위에 5cm 두께의 절연 물질을 놓고, 그 위에 측정 대상 제품을 배치한다. 제품 입력 전원단의 양극과 음극 라인에 각각 LISN으로 연결하고, 제품 케이스를 접지판에 연결한다. LISN의 측정 단자에 케이블을 연결하여 스펙트럼 분석기에서 노이즈를 측정하고, 다른 전원 라인의 LISN에는 50Ω을 연결한다.

또한 전도성 전자파 노이즈 측정 시에 전원과 DUT 사이에 추가되어있는 LISN은 2가지 기능을 수행한다. 첫째는 측정하고자 하는 주파수 범위의 스펙트럼 분석기에 측정 포트를 제공한다. 둘째는 전원 노이즈를 필터링하여 DUT에서 발생하는 노이즈만 측정한다. 입력단의 전도 노이즈 전압은 모두 LISN의 측정 포토에 연결된 스펙트럼 분석기로 측정된다. 따라서 LISN이 DC 입력 단자에 전도 노이즈 전압 측정을 위해 추가되었으며, 그림 5 LISN의 등가 회로는 CISPR 25 규격에 따라 150kHz ~ 30MHz 범위에서 측정하고자 하는 노이즈 전압의 주파수 대역을 측정하게 설계되었다.

3. 단상 인버터의 고주파 회로 모델

입력단의 전도 노이즈를 분석하려면 DC 버스바, DC 링크 커패시터, IGBT 및 IGBT와 방열판 사이의 부유 커패시터와 같은 기생 임피던스의 고려가 필요하다. 이러한 고려가 없다면, 공진 현상을 나타낼 수 없기 때문이다. 이러한 기생 임피던스를 반영한 모델을 그림 6에 나타내었다.

그림 6의 고주파 등가 모델은 스위칭 노이즈로 인해 발생하는 전도 노이즈를 추출할 수 있다. 고주파 등가 모델이란 전도 노이즈 전파경로에 해당하는 기생 임피던스 성분이 모두 포함된 형태의 등가 회로를 말한다. 이러한 등가 모델이 필요한 이유는 주변 기생 임피던스 성분까지 고려하지 않으면, 노이즈 전압의 분석이 정확하지 않기 때문이다. 단상 인버터에서 시스템 제어를 위하여 사용되는 PWM 신호는 이상적이면 완전 사각 형태의 구형파가 출력되지만, 회로 구성에 따라서 PWM 작동 시에 과도 상태에서 고주파 노이즈가 포함된다. 고주파 노이즈가 생기는 이유는 PCB나 선로에 존재하는 기생 인덕턴스는 IGBT의 기생 커패시터와 PWM 온오프시 생기는 공진 현상 때문이다. 즉, 스위칭 소자 주위의 기생 임피던스 성분은 노이즈 전압에 큰 영향을 준다. 이러한 이유로 정확한 노이즈 전압을 분석하기 위해서는 주변 기생 임피던스 성분까지 고려한 형태의 회로 모델이 필요하다.

4. 시뮬레이션 및 실험 결과

5. 결 론

본 논문에서는 단상 인버터의 전력 변환시 IGBT 스위칭에 의해 발생하여 입력 전원단으로 전달되는 노이즈를 분석하는 방법을 제안하였다. 단상 인버터의 고주파 회로 모델을 바탕으로 노이즈 전압을 분석하는 방법을 제안하였다. 150kHz ~ 30MHz의 주파수 범위에서 네트워크 분석기와 Q3D를 이용하여 기생 임피던스를 추출하고 측정값을 적용하여 고주파 상세 회로를 모델링 하였다. 단상 인버터는 2개의 스위칭 레그가 있으며, 출력 전압으로 변환하는 스위칭 제어 과정으로 인해 시뮬레이션 시간이 오래 걸린다. 이 시뮬레이션 수행 시간을 줄이기 위해 스위칭 제어 대신 등가화한 노이즈 소스로 대체한 고주파 등가 회로를 제안하였다. 완성된 고주파 등가 회로의 시뮬레이션 결과와 실제 단상 인버터의 노이즈 결과를 비교하여 타당성을 확인하였다. 그 결과 고주파 상세 회로의 공진점은 7.39MHz에서 91.35dBuV, 고주파 등가 회로의 공진점은 7.23MHz에서 96.36dBuV, 실제 실험으로 측정한 공진점은 7.33MHz에서 95.76dBuV이다.

제안한 분석 방법으로 단상 인버터를 포함한 응용 제품 개발에 적용할 수 있고, 분석된 결과를 바탕으로 노이즈가 국제 표준을 초과하는 경우 원인을 파악하고 적절한 조치를 취하는 데 사용할 수 있다. 실제 현업에서는 제품 개발 단계에서 노이즈 대책을 세울 수 있을 만한 충분한 시간과 비용이 부족한 경우가 대부분이고, 빠른 시간 내에 적절한 노이즈 대책을 세우지 못하면 기업에 미치는 영향도 매우 크다. 본 논문에서 제안한 단상 인버터의 입력단에 전달되는 노이즈 분석 방법은 단상 인버터뿐만 아니라, 각 방법의 기본 원리는 위에서 언급한 것과 같이 다양한 제품에 응용하여 적용이 가능하다.