전원체계 및 구동 시스템의 전도성 노이즈 분석을 위한 CAE 시뮬레이션

해당 논문은 2024년 한국전자파학회 하계종합학술대회에서 발표되었습니다.

전원체계 및 구동 시스템의 전도성 노이즈 분석을

위한 CAE 시뮬레이션

o송인수*
*모아소프트

Key Words : 전원 체계, EMI, EMC, CISPR 25, 전도성 노이즈, 배터리, 기생 성분, Ansys, Q3D, Maxwell, Parasitic RLC Matrix, CAE, 해석 프로세스, 모터, 인버터, 버스바

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I. 서론

최근 반도체 기술 및 디지털 기술의 급격한 변화로 디지털 신호를 전달하기 위한 반도체 장비의 스위칭 속도가 급격히 빨라지고 있다. 특히 전원체계 및 구동 시스템을 제어하기 위한 높은 스위칭 주파수로 인해 노이즈가 발생될 수 있고 시스템을 구성하는 많은 전자기기들에 영향을 미치는 문제를 발생시킨다. 이러한 문제를 해결하기 위해 설계 단계부터 전자파 적합성을 만족하기 위한 연구들이 수행되었으며[1] CISPR 22의 표준에 따라 시뮬레이션과 측정 결과 분석에 대한 연구가 진행되었다[2].
본 논문에서는 Ansys社의 CAE 툴을 활용하여 시스템 각 파트에서 발생하는 전도성 노이즈 특성 분석을 수행하고 수행 방법에 대하여 기술한다. 전원체계 구성 요소 중 전도성 노이즈에 가장 큰 영향을 미치는 구성 요소는 배터리, 버스바, 인버터, 모터이며 시뮬레이션 상으로 도출된 기생 성분을 분석함으로써 설계 단계에서부터 노이즈 저감 대책을 마련하는데 활용하고자 한다.

II. 본론

통합 시스템 해석을 위해 전체 시스템의 전도성 노이즈에 영향을 줄 수 있는 항목에 대한 정리가 필요하며 각 항목의 기생성분 추출이 필요하다.
그림 1은 시스템 분석을 위한 모터, 배터리, 인버터, 버스바 통합 시스템 구성도를 나타낸다. 모터는 Maxwell과 Q3D를 사용하여 모터 내부의 절연지와 유전 영역을 고려하였고, 인버터는 Q3D를 사용하여 내부 소자와 Net, Source, Sink를 고려한 고주파 해석 모델을 구성하였으며, 버스바는 Q3D를 통해 Partial Inductance를 고려한 기생성분 분석을 수행하였다. 배터리 소켓을 비롯한 케이스에 존재하는 기생성분 분석을 위해 접지 및 극단을 고려하였고 최종적으로 각 항목에 대한 기생성분 분석 데이터들을 Twin Builder를 통해 통합 시스템으로 구성한다.

그림 1. 전도성 노이즈 분석을 위한 시스템 구성

(a) Motor E Field (b) Inverter J Field

그림 2. 모터, 인버터 Field Distribution

그림 2는 모터와 인버터 기생성분 도출을 위한 모델을 나타내며 각각 전계 Field와 전류 Field를 나타낸다. 배터리와 버스바 모델을 포함한 각 항목에서 도출된 Parasitic RLC Matrix를 기반으로 등가회로를 구축할 수 있으며 그림 3과 같이 전도성 노이즈 결과를 도출할 수 있다.