전자파 적합성(EMC): 전자파간섭(EMI)의 출처 (1/2)

우리가 일상에서 사용하는 거의 모든 전자장치는 전자기장을 방출하는데, 이러한 전자기장은 전류가 도체를 통과할 때 생성됩니다. 예를 들어, TV, 세탁기, 인덕션, 교통신호등, 휴대전화, ATM, 노트북 등과 같은 전자장치뿐만 아니라 자동차에서도 점화시스템, 스타터모터, 스위치에서 광대역(broadband) 전자파간섭(EMI)이 발생되고, 전자장치로부터는 협대역(narrowband) 전자파간섭이 발생되어 문제가 생깁니다. 게다가 기존 자동차와 비교할 때 EV(전기 자동차)는 배터리, BMS, DC-DC 컨버터, 인버터, 전기모터, 차량 주변에 분포된 고출력 케이블, 충전기와 같은 다양한 서브 시스템과 전자부품으로 이루어져 있습니다. 이 모든 것은 많은 전자파간섭을 일으키는 고출력 및 고주파수에서 작동하게 됩니다.

 

따라서, 차량을 설계할 때 모든 하위 시스템과 구성요소의 전자파 적합성(EMC)를 평가하여 구성요소의 안전성과 생명 안전성을 반드시 보장해야 합니다. 

---

[용어 및 정의]

▶ 전자파 적합성(EMC)는 전자기장(EMF)의 영향을 받지 않고 전자파 환경에서 작동할 때 다른 시스템 작동에 영향을 미치지 않는 능력을 의미합니다. 전자파 적합성 평가에는 전자파 방출, 전자파 민감성 및 내성, 전자파 커플링 문제를 포함합니다.

▶ 전자파 방출(Electromagnetic Emission)은 전자파 에너지가 생성되어 환경에 방출되는 것을 의미합니다. 예상치 못한 방출은 동일한 환경의 다른 전자장치 작동에 간섭 또는 장애를 일으키는 전자파간섭(EMI)이 발생합니다.

▶ 전자파 민감성(Electromagnetic Susceptibility)은 기기의 오작동 또는 고장을 일으키는 방출과 간섭에 대해 얼마나 취약한지를 나타냅니다. 기기가 더 취약하다는 것은 전자파 간섭에 대한 내성이 적다는 것을 의미합니다.

▶ 전자파 내성(Electromagnetic Immunity)은 다른 전자장치에서 나오는 전자기 방출로 인해 간섭이나 장애를 겪지 않고 전자기 환경에서 정상적으로 작동하는 능력을 의미합니다.

▶ 전자기 커플링(Electromagnetic Coupling)은 한 장치에서 방출된 전자기장이 다른 장치에 도달하거나 간섭하는 메커니즘을 의미합니다.

---

EV 내에서 전자파간섭을 유발하는 구성요소

EV에서 전자파간섭(EMI)을 유발하는 구성요소

전력 변환기(Power Converters)는 전기구동 시스템 내의 전자파간섭의 주요 원인으로 알려져 있습니다. 이들은 고속 switching 장치를 갖추고 있는데, 예를 들어 기존의 Insulated Gate Bipolar Transistor(IGBT)* 작업으로 2~20kHz, 고속 IGBT는 최대 50kHz, SiC MOSFET는 150kHz 이상의 주파수까지 작동할 수 있습니다.

 

전기모터(Electric Motors)는 고전력에서 작동하며, 전자파 방출을 유발하고 impedence*를 통한 전자파 소음의 원인으로 알려져 있습니다. 전기모터 구동장치는 고속 PWM 스위칭 작동이 가능한 전력 변환기를 사용함에 따라 모터 단자에서 서지 전압*이 발생하여 복사 전자파 소음을 발생시킵니다. 그리고 축전류가 모터 베어링의 손상 및 차량 컨트롤러의 오작동을 야기할 수 있어 문제가 됩니다.

 

구동축전지(Traction Battereis)*가 분산됨에 따라 배터리와 interconnector의 전류가 전자기장(EMF) 방출에 중요한 원인이 되며, 이는 전자파간섭의 주요 경로로 판단됩니다.

 

EV에 있어 배터리에서 전원 컨버터, 전원 컨버터에서 모터로 등과 같은 다양한 서브시스템 사이에 높은 전류를 전달하는 차폐 및 비차폐 케이블(Shieled and Unshieled cables)은 더 강한 자기장을 유발합니다. 와이어링 하네스(wiring harness)에 사용할 수 있는 차량 내의 공간이 제한되어 있기 때문에 고전압 케이블과 저전압 케이블이 서로 가까이 위치하여 둘 사이에 전자파간섭을 일으키는 원인이 됩니다.

 

배터리 충전기와 무선충전설비는 EV 내부 출처와는 별도로 주요 외부 전자파간섭 출처가 됩니다. EV 충전에 무선전력기술이 적용되면 수십~수백kHz 범위의 강한 자기장이 생성되어 여러 kW에서 수십kW의 전력을 전달하게 됩니다. 

 

[용어정리]

∙IGBT(Insulated Gate bipolar Transistor)는 전력용 반도체의 일종으로 정확하게 고전력 스위칭용 반도체를 뜻합니다.

∙임피던스(Impedence)는 교류의 흐름을 방해하는 성질의 정도, 즉 어느 정도로 교류의 흐름을 방해하는지를 나타냅니다.

∙서지전압(Surge Voltage)는 짧은 시간 내에 심한 파형의 변화를 일으키는 전압을 뜻합니다.

∙구동 축전지(Traction Batteries)는 자동차의 구동을 목적으로 전기에너지를 저장하는 축전지 또는 이와 유사한 기능을 하는 전기에너지 저장매체를 뜻합니다.

 

오늘날 기술이 급속히 발전하면서, 자동차는 더 나은 작동과 높은 신뢰도를 위해 더 많은 전자부품과 시스템을 포함하고 있습니다. 만약 우리가 EV 구조를 본다면, 많은 양의 전기와 전자 시스템이 제한된 공간에 놓여지게 됩니다. 이는 이 시스템 간에 전자파 간섭이나 혼선을 유발하는 문제가 생깁니다. 전자파 적합성(EMC)가 적절하게 유지되지 않으면 이러한 시스템이 오작동하거나 작동하지 않을 수 있게 되므로 이를 평가하고 규제하는 이슈가 중요하게 고려되고 있습니다.

 

---

다음시간에는 이러한 전자파 간섭(EMI)에 대한 규제 현황 및 이를 줄이기 위한 가이드라인을 소개해보려고 합니다.

 

Author 박해리

 

출처 https://circuitdigest.com/article/electromagnetic-compatibility-in-electric-vehicles