전자 전압 변환기의 EMC 성능 테스트 설계 및 개선
1 전자전압변환기의 EMC 성능 개요
1.1 EMC의 정의 및 요구사항
전자기적 호환성(EMC)은 장치/시스템이 주어진 전자기 환경에서 방해 없이 작동하고 다른 엔터티에 수용할 수 없는 전자기 간섭을 일으키지 않는 능력을 의미합니다. 전자전압변환기의 경우 EMC는 복잡한 환경에서 안정적인 측정 성능을 요구하며, 다른 장치에 간섭하지 않아야 합니다. 이들의 EMC 성능은 설계 및 제조 과정에서 고려되어 보장되어야 합니다.
1.2 작동 원리
전자전압변환기는 전자기 유도와 고정밀 전자 측정을 활용하여 전력 시스템의 고전압 신호를 저전압 신호로 변환합니다. 일반적으로 기본 센서, 2차 변환 회로, 신호 처리 장치로 구성됩니다: 기본 센서는 고전압 신호를 기본 전압과 비례하는 약한 전류/전압으로 변환합니다; 2차 회로는 이를 표준 디지털/아날로그 신호로 더 변환합니다; 처리 장치는 필터링, 증폭, 교정을 통해 측정 정확도와 안정성을 향상시킵니다. 이러한 장치는 단일 회로의 전압, 전류, 전력을 측정하거나 (그림 1 참조), 또는 단일/다수 회로의 전압/전류를 측정할 수 있습니다.
1.3 전자기 간섭 및 감도 분석
전자전압변환기는 다른 전기 장비(예: 번개 충격, 스위치 작동에 의한 일시적인 과전압 등)로부터 전자기 간섭을 받게 되며, 이로 인해 측정 성능(예: 오차 증가, 불안정한 읽기 값)이 저하될 수 있습니다.
2 전자전압변환기(EVT)의 전자기적 호환성 성능 시험 분석
2.1 시험 내용 및 평가 기준
EVT의 전자기적 호환성 성능 시험은 실제 작업 환경에서 안정적이고 정확하게 작동하도록 보장하기 위한 중요한 단계입니다. 시험은 EVT의 간섭 저항 능력과 다양한 전자기 간섭 하에서의 성능을 평가하는데 중점을 둡니다. 평가 기준은 시험 결과의 심각성에 따라 A등급과 B등급으로 나뉩니다:
A등급: 정확도 사양 범위 내에서 정상적인 성능을 유지합니다. 평가는 EVT가 전자기 간섭을 받았을 때 그 측정 정확도가 지정된 범위 내에 있어야 함을 요구합니다. 이를 통해 출력 전압 신호가 실제 값과 일치하고 전력 시스템의 정상적인 모니터링 및 제어가 방해받지 않도록 합니다.
B등급: 보호 기능과 관련없는 측정 성능의 일시적인 저하를 허용합니다. 기준은 전자기 간섭 하에서 측정 성능의 일시적인 저하를 허용하되, 보호 기능의 정상적인 작동이나 장치의 재설정/재시작에 영향을 미치지 않아야 합니다. 출력 전압은 500V 이내로 제어되어 전력 시스템에 불필요한 간섭이나 손상을 방지해야 합니다.
2.2 전도 간섭 시험
전도 간섭은 도체 경로(예: 선, 금속 파이프)를 통해 전달되는 전자기 간섭을 의미합니다. EVT에 있어서 전도 간섭은 주요 도전 과제입니다.
전기적 고속 트랜시언트/버스트(EFT/B) 시험: 스위칭 중에 유도 부하(예: 릴레이, 접촉기)로부터 발생하는 일시적인 간섭을 시뮬레이션합니다. 이러한 간섭은 일반적으로 넓은 주파수 스펙트럼을 가지며 EVT의 작동을 방해할 수 있습니다. 시험은 일련의 고속 트랜시언트 버스트를 EVT에 적용하여 출력 전압 신호의 안정성과 정확도를 관찰하여 간섭 저항 능력을 평가합니다.
서지(충격) 면역 시험: 스위칭, 번개 등의 일시적인 과전압/과전류를 시뮬레이션합니다. 이러한 사건은 높은 에너지와 짧은 지속 시간을 가지고 있으며, EVT의 절연 및 측정 정확도에 심각한 영향을 미칩니다. 시험은 서지 전압을 EVT에 적용하여 간섭 없이 손상이나 성능 저하 없이 견딜 수 있는 능력을 확인합니다.
2.3 방사 간섭 시험
전원 주파수 자기장 면역 시험: EVT의 전원 주파수 자기장 환경에서의 성능을 평가합니다. 제어된 전원 주파수 자기장을 적용하여 출력 전압 신호의 안정성과 정확도를 관찰하여 간섭 저항 능력을 평가합니다.
감쇠 진동 자기장 면역 시험: 고압 변전소에서 고압 모선을 운용하는 고립 스위치 작동 시 발생하는 감쇠 진동 자기장을 시뮬레이션합니다. 이러한 자기장은 빠른 감쇠율과 높은 주파수를 가지며, EVT의 측정 정확도를 방해할 수 있습니다. 시험은 감쇠 진동 자기장을 적용하여 EVT가 안정적인 측정 성능을 유지하는지 확인합니다.
펄스 자기장 면역 시험: 건물이나 기타 금속 구조물에 번개가 칠 때 발생하는 펄스 자기장을 시뮬레이션합니다. 이러한 자기장은 빠른 상승 시간과 높은 피크 강도를 가지며, EVT의 절연 및 측정 정확도에 위협을 가합니다. 시험은 펄스 자기장을 적용하여 간섭 없이 손상이나 성능 저하 없이 견딜 수 있는 능력을 확인합니다.
무선 주파수 방사 전자기장 면역 시험: 무선 주파수(RF) 방사 환경(예: 산업 전자기 소스, 라디오 방송, 모바일 통신 기지국 등)에서 EVT의 성능을 평가합니다. 제어된 RF 방사장을 적용하여 출력 전압 신호의 안정성과 정확도를 관찰하여 간섭 저항 능력을 평가합니다.
3 전자전압변환기의 전자기적 호환성 설계 원칙
3.1 회로 설계 원칙
플로팅 그라운드 설계: 회로 설계에서는 플로팅 그라운드 기술을 사용하여 신호선을 챠시로부터 절연합니다. 이를 통해 챠시에 직접 결합되는 간섭 전류를 줄여 노이즈 간섭을 줄이고 신호의 정확도와 안정성을 향상시킵니다.
합리적인 배선 배치: 전원선, 그라운드선, 다양한 신호선을 적절히 배치하는 것은 결합 간섭을 최소화하는 데 중요합니다. EVT 회로 설계에서는 선 간의 결합을 최소화해야 합니다. 계층식 배선과 직교 배선(평행 배선을 피함)과 같은 방법을 통해 전자기 유도와 용량 결합을 줄입니다.
필터 커패시터 설계: 모듈의 전원 입력부에 필터 커패시터를 구현하여 전원 공급을 통해 들어오는 간섭 신호를 억제합니다. 전력 공급의 고주파 노이즈와 간섭을 효과적으로 필터링하기 위해 커패시턴스, 전압 등급, 주파수 특성 등을 고려하여 커패시터를 선택합니다.
저레벨 로직 설계: 불필요한 고 로직 레벨을 피하여 회로의 전력 소모와 고주파 간섭을 줄입니다. EVT 회로 설계에서는 저레벨 로직 장치(예: 3.3 V 장치)를 우선하여 고주파 노이즈 발산과 수신을 최소화합니다.
상승/하강 시간 제어: 회로 기능 범위 내에서 가능한 가장 느린 상승 및 하강 시간을 선택하여 불필요한 고주파 성분을 생성하지 않습니다. 이를 통해 회로의 고주파 노이즈를 줄이고 신호의 안정성과 정확도를 향상시킵니다.
3.2 내부 구조 설계 원칙
완전히 밀폐된 차폐 구조: 챠시에 완전히 밀폐된 차폐 구조를 사용하여 모든 표면 간의 좋은 접촉과 적절한 접지를 보장합니다. 이를 통해 외부 전자기장 간섭을 효과적으로 차단하여 내부 전자 회로를 외부 간섭으로부터 보호합니다.
노출된 배선 길이 최소화: 챠시 내부의 모든 노출된 배선을 가능한 한 짧게 유지하여 전자기 방사와 결합 간섭을 줄입니다. EVT 내부 설계에서는 구성 요소 배치를 최적화하여 노출된 배선 길이를 최소화합니다.
케이블 그룹화 및 묶음: 신호 유형별로(예: 디지털 및 아날로그 라인 분리) 배선을 그룹화하고 각 그룹 사이에 적절한 간격을 유지합니다. 이를 통해 배선 간 크로스토크를 줄여 신호의 명료성과 정확도를 향상시킵니다.
전도성 접착제 결합: 모든 챠시 인터페이스 조인트에 전도성 접착제를 사용하여 좋은 전기 연결과 차폐 효과를 보장합니다. 이를 통해 접촉 저항을 낮추고 차폐 성능을 향상시킵니다.
4 전자전압변환기의 전자기적 호환성 성능 향상 전략
4.1 전원 포트의 간섭 저항 설계
4.1.1 전원 필터 설치
전원 필터는 전력 공급에서 고주파 노이즈와 일시적인 펄스를 필터링하여 전력 입력의 순수성을 보장하는 효과적인 전자기 간섭 억제 장치입니다. 전원 필터를 선택할 때는 EVT의 정격 전력과 작업 환경에 따라 적절한 필터 모델과 사양을 선택하고, 필터가 전원 입구 근처에 설치되어 최상의 필터링 효과를 얻어야 합니다.
4.1.2 중복 전원 공급 설계 채택
EVT의 전원 공급 신뢰성을 향상시키기 위해 중복 전원 공급 설계를 채택합니다. 즉, 두 개 이상의 전원 모듈을 구성합니다. 하나의 전원 모듈이 실패할 경우 다른 전원 모듈이 신속하게 전원 공급 작업을 인계하여 EVT의 정상적인 작동을 보장합니다. 이렇게 하면 EVT의 간섭 저항 능력뿐만 아니라 전체적인 안정성도 향상됩니다.
4.1.3 전원선의 차폐 및 접지 강화
전원선은 전자기 간섭 전파의 중요한 경로 중 하나입니다. 전원선의 전자기 간섭을 줄이기 위해 차폐 케이블을 사용하여 전원선을 금속 차폐층으로 감싸 전자파의 방사와 결합을 줄입니다. 동시에 전원선의 좋은 접지를 보장하여 간섭 전류를 지면으로 유도하여 EVT의 손상을 방지합니다.
4.2 신호 포트의 정전기 방전 보호
4.2.1 일시적인 간섭 흡수 부품 설치
일시적인 간섭 흡수 부품(예: Transient Voltage Suppressors(TVS) 및 varistors)은 정전기 방전 중에 방전 에너지를 신속하게 흡수하고 안전한 전압 수준 내에서 전압을 제어하여 EVT의 내부 전자 부품을 보호합니다. 일시적인 간섭 흡수 부품을 선택할 때는 EVT의 신호 특성 및 작업 환경에 따라 적절한 부품 모델과 사양을 선택해야 합니다.
4.2.2 차동 신호 전송 방법 채택
차동 신호 전송 방법은 공통 모드 간섭을 효과적으로 저항하고 신호의 간섭 저항 능력을 향상시킵니다. EVT의 신호 포트 설계에서는 차동 신호 전송 방법을 채택하여 신호를 양극과 음극 채널로 나누어 전송합니다. 두 채널 간의 신호 차이를 비교하여 효과적인 정보를 추출함으로써 신호 전송 품질을 향상시키고 정전기 방전이 EVT에 미치는 간섭을 줄입니다.
4.3 챠시 차폐 성능 최적화
4.3.1 높은 자기 투과율을 가진 재료 선택
챠시 재료 선택은 차폐 효과에 매우 중요합니다. 챠시의 자기장 차폐 능력을 향상시키기 위해 철판과 같은 높은 자기 투과율을 가진 재료를 선택합니다. 이를 통해 자기장 에너지를 효과적으로 흡수하고 분산하여 EVT 내부의 자기장 간섭을 줄입니다. 금속의 상대 자기 투과율은 표 1에 나와 있습니다.
4.3.2 챠시 구조 설계 최적화
챠시의 구조 설계는 차폐 효과에 중요한 요소입니다. EVT의 챠시 설계에서는 완전히 밀폐된 차폐 구조를 채택하여 다양한 표면 간의 좋은 접촉과 접지를 보장합니다.
4.3.3 챠시 접지 처리 강화
챠시의 접지 처리는 차폐 효과에 매우 중요합니다. EVT의 챠시 설계에서는 챠시와 지면 간의 좋은 접지 연결을 보장하여 간섭 전류를 지면으로 유도해야 합니다.
그들은 또한 고주파 고조파와 전자기 방사를 포함하여 다른 장치에 영향을 미치는 간섭을 방출합니다. 이러한 간섭과 감도 문제를 해결하기 위해 억제 및 보호 조치가 필요합니다.
5 결론
본 논문은 전자전압변환기의 전자기적 호환성 성능에 대해 깊이 있게 연구하고 설계하였습니다. 회로 설계 원칙, 내부 구조 설계 원칙, 그리고 전자기적 호환성 성능 향상 전략을 포함한 일련의 조치를 제안하였습니다. 복잡한 전자기 환경에서 EVT의 간섭 저항 능력과 안정성을 향상시키고, 전력 시스템에서 전압 신호를 정확하고 신뢰성 있게 측정하며, 전력 시스템의 안전하고 안정적인 운영을 위한 강력한 보장을 제공하는 것이 목표입니다.
