KR100403541B1 - Active Common Mode EMI Filter for Eliminating Conducted Electromagnetic Interference - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 전도성 전자파장애 제거를 위한 능동형 공통모드 이엠아이 필터에 관한 것으로서, 증폭기의 전원으로서 시스템 동작 전압과는 무관한 별도의 전원을 사용하되, 저주파에서의 절연과 고주파에서의 폐회로 구성을 위하여 작동하는 커플링캐패시터에 의하여 누설전류를 내부에서 순환시키므로, 저전압의 증폭기 소자를 사용할 수 있다. 그 결과, 필터 회로보다 빠른 소자를 사용하는 것이 가능하고, 어떠한 직류단 전압의 크기와 관계없이 적용이 가능하다. 본 발명에서는, 전류 검출 전류 보상 방식을 사용하면서도, 종래기술에 의한 능동형 이엠아이 필터에서, 증폭기의 pnp, npn 트랜지스터가 모두 전체 직류 전압을 감당하여야 하는 것으로부터 발생하는 문제점인 내전압이 큰 트랜지스터를 사용하여야 하는 문제점을 해결할 수 있다.The present invention relates to an active common mode EM filter for eliminating conductive electromagnetic interference, and uses a separate power source that is independent of the system operating voltage as a power source of an amplifier, and operates for isolation at low frequencies and closed circuit configuration at high frequencies. Since the leakage current is circulated internally by the coupling capacitor, a low voltage amplifier element can be used. As a result, it is possible to use an element that is faster than the filter circuit, and can be applied regardless of the magnitude of any DC link voltage. In the present invention, while using the current detection current compensation method, in the active EM filter according to the prior art, it is necessary to use a transistor having a large withstand voltage, which is a problem arising from the fact that both the pnp and npn transistors of the amplifier must bear the full DC voltage. This can solve the problem.
Description
본 발명은 전도성 전자파장애를 제거하기 위한 능동형 공통모드 이엠아이 필터에 관한 것으로서, 특히 증폭기의 전원으로서 시스템 동작 전압과는 무관한 별도의 전원을 사용하되, 저주파에서의 절연과 고주파에서의 폐회로 구성을 위하여 작동하는 커플링캐패시터에 의하여 누설전류를 내부에서 순환시키므로, 저전압의 증폭기 소자를 사용할 수 있는 전류 검출, 전류 보상형 능동형 공통모드 이엠아이 필터를 제공한다.The present invention relates to an active common mode EM filter for eliminating conductive electromagnetic interference. In particular, a separate power source independent of the system operating voltage is used as a power source for an amplifier, but for low frequency isolation and closed circuit configuration at high frequencies. Since the leakage current is circulated internally by an operating coupling capacitor, a current detection, current compensation type active common mode EM filter capable of using a low voltage amplifier element is provided.
전자기기에서 발생되는 고주파 전류는 같은 전원에 접속되는 다른 기기에 전기적인 외란으로서 영향을 줄 뿐만 아니라, 누설전류의 경우 그 전류가 대지를 통하여 전원으로 환원되므로 동작 전류에 대하여 안테나로서 작용하여 외부 기기에 전자기적 간섭 현상인 전자파장애(Electromagnetic Interference, 일명 이엠아이)를 발생시킨다.High-frequency currents generated by electronic devices not only affect other devices connected to the same power source as electrical disturbances, but also in case of leakage currents, the current is reduced to the power source through the earth, acting as an antenna for the operating current. Electromagnetic interference (Electromagnetic Interference, also known as EM) is generated.
먼저, 전자기기에서 발생하는 누설전류를 예를 들어서 설명하고, 이를 제거하기 위한 종래 기술을 설명한다.First, the leakage current generated in the electronic device will be described by way of example, and the prior art for removing it will be described.
도1은 단상 교류 입력에 연결된 PWM(Pulse Width Modulation:펄스폭 변조)인버터 시스템에서의 누설전류를 설명하기 위한 도면이다. 도1은 단상 교류 시스템에 연결된 PWM 인버터의 일반적인 형태이다. 도1에서 전원 고조파에 대한 규제를 만족시키기 위하여 일반적으로 역률보상기(Power Factor Corrector: PFC)가 단상 다이오드 정류기와 함께 사용된다. PWM 인버터의 부하 기기로서 교류전동기가 사용된다. 전동기 구동 시스템에서 PWM 인버터는 통산 1~20 kHz의 스위칭 주파수로 운전되며 전력소자로서 FET 또는 IGBT가 사용된다. FET 또는 IGBT가 빠르게 스위칭하는 경우 시스템의 기생 성분(Parasitic Components)과 결합되어 원하지 않는 고주파 전압 전류가 발생하게 된다. 구체적으로는 FET 또는 IGBT의 스위칭에 의하여 높은 전압 펄스 파형이 a지점, b지점, 및 c지점에 존재하게 되는데, 도1에서 교류 기기는 접지 g에 직접 연결되어 있지는 않지만 시스템과 접지사이의 기생 캐패시턴스 (Clg,Csg)때문에, 높은 펄스 형태의 전압이 가해지는 경우 대지를 통하여 전원으로 환원되는 누설전류가 발생하게 된다. 도1에서 전동기 중성점 s와 DC 전원의 중성점 n 사이의 전압은 도2에서 vsn와 같이 측정되며, 그에 따른 누설전류 isn이 도2와 같이 측정된다.1 is a view for explaining the leakage current in a PWM (Pulse Width Modulation) inverter system connected to a single-phase AC input. 1 is a general form of a PWM inverter connected to a single phase alternating current system. In FIG. 1, a power factor corrector (PFC) is generally used together with a single phase diode rectifier to satisfy the regulation on power harmonics. AC motor is used as load device of PWM inverter. In the motor drive system, the PWM inverter is operated with a switching frequency of 1 to 20 kHz in total and FET or IGBT is used as the power device. When FETs or IGBTs switch quickly, they combine with the parasitic components of the system, resulting in unwanted high frequency voltage currents. Specifically, high voltage pulse waveforms are present at points a, b, and c by switching FETs or IGBTs. In FIG. 1, the AC device is not directly connected to ground g, but the parasitic capacitance between the system and ground. Because of (C lg, C sg ), when a high pulse voltage is applied, leakage current is reduced to the power supply through the earth. In FIG. 1, the voltage between the motor neutral point s and the neutral point n of the DC power supply is measured as v sn in FIG. 2, and the leakage current i sn is measured as shown in FIG. 2.
이러한 누설전류를 억제하기 위한 종래 기술로서, 시스템의 전원 입력 혹은 출력에 도3과 같은 수동형 공통모드 필터를 사용하였다. 도3에 표시된 공통모드 초크(choke)는 누설전류의 경로의 임피던스를 증가시키고 Cy는 시스템에서 발생된 누설전류가 시스템 내부에서 쉽게 순환할 수 있도록 고주파의 누설전류에 대하여 낮은 임피던스를 가지는 경로를 제공한다. 그러나, 도3에 도시된 수동형 필터만으로 누설전류를 억제할 경우 감쇄율을 크게 하기 위하여 필터의 LC값을 증가시켜야 하는데, 특정 분야에서는 안전 문제로 인하여 사용되는 Cy의 값에 제한이 있다. 이 경우 필터의 감쇄율을 증가시키기 위하여 공통모드 초크의 인덕턴스값을 증가시켜야 하므로 전체 시스템의 부피 및 가격 상승의 직접적인 원인이 되어왔다.As a conventional technique for suppressing such leakage current, a passive common mode filter as shown in FIG. 3 is used as a power input or an output of the system. The common mode choke shown in FIG. 3 increases the impedance of the path of leakage current and C y represents a path having low impedance to high frequency leakage current so that the leakage current generated in the system can easily circulate inside the system. to provide. However, when the leakage current is suppressed only by the passive filter shown in FIG. 3, the LC value of the filter must be increased to increase the attenuation rate. In certain fields, there is a limit to the value of C y used for safety reasons. In this case, the inductance value of the common mode choke must be increased to increase the filter attenuation rate, which has been a direct cause of the increase in the volume and price of the entire system.
이러한 수동형 필터의 문제점을 해결하기 위하여, 능동형 공통모드 이엠아이 필터에 대한 연구가 진행되어왔다.In order to solve the problem of the passive filter, the research on the active common mode EM filter has been conducted.
도4는 종래 기술에 의한 능동형 공통모드 이엠아이 필터들의 개념도이다. 능동형 공통모드 이엠아이 필터는 스위칭 전원에 의해 발생되는 전류 혹은 전압의 리플을 능동적으로 억제하기 위한 것으로 스위칭 전류 혹은 전압을 검출하여 여기에 -A에 해당하는 이득을 곱하여 전류 혹은 전압을 보상하여 전원 쪽에서는 결과적으로 스위칭 리플을 억제되도록 하는 것이다. 원래 정상모드 노이즈에 대하여 고안된 것이나, 공통모드 노이즈의 경우에도 유사하게 적용할 수 있다.4 is a conceptual diagram of an active common mode EM filter according to the prior art. The active common mode EMS filter actively suppresses the current or voltage ripple generated by the switching power supply. It detects the switching current or voltage and multiplies the gain corresponding to -A to compensate for the current or voltage. As a result, switching ripple is suppressed. Originally designed for normal mode noise, the same applies to common mode noise.
도5는 PWM 인버터 시스템에 대하여 고안된 종래의 능동형 공통모드 이엠아이 필터들을 도시한 것이다. 도5a 및 도5b는 전압 검출, 전압 보상의 능동형 공통모드 이엠아이 필터이며, 도5c는 전류 검출, 전류 보상의 능등형 공통모드 이엠아이 필터이다.5 illustrates conventional active common mode EM filters designed for a PWM inverter system. 5A and 5B show an active common mode EM filter for voltage detection and voltage compensation, and FIG. 5C shows an elbow type common mode EM filter for current detection and current compensation.
도5a 및 도5b는 PWM 인버터에 의해 생성된 공통모드 전압을 측정하여 푸시풀 앰프를 이용하여 반대의 전압을 인가하여 공통모드 전압이 "0"으로 되도록 조작하는 회로이다. 그런데, 전류 전원의 전압이 높아지면, 내전압이 큰 pnp 트랜지스터를 구하기 어렵기 때문에 도5a와 같은 회로 구현이 어려워진다. 따라서 도5b에서는 별도의 직류 전원(50V)을 사용하여 이 문제를 해결한 것이다.5A and 5B are circuits for measuring the common mode voltage generated by the PWM inverter and manipulating the common mode voltage to be "0" by applying an opposite voltage using a push-pull amplifier. However, when the voltage of the current power supply increases, it is difficult to obtain a pnp transistor having a large withstand voltage, so that it is difficult to implement a circuit as shown in FIG. 5A. Therefore, in FIG. 5B, this problem is solved by using a separate DC power supply 50V.
도5c는 전류 검출, 전류 보상 방식으로서, 입력되는 누설전류인 공통모드 전류를 검출하여 반대 방향의 전류를 출력하여 누설전류를 상쇄시키는 회로이다. 도5c는 도5a와 마찬가지로 내전압이 큰 pnp 트랜지스터를 사용하여야 하는 문제점이 있다. 한편, 일반적으로 같은 전류 용량을 가지는 트랜지스터에 있어서 내압이 높아질수록 대역폭이 제한되므로 누설전류의 용량이 클 경우 누설전류가 상쇄되는 주파수 대역폭이 줄어드는 문제가 있다.5C is a current detection and current compensation scheme in which a common mode current that is an input leakage current is detected to output a current in the opposite direction to cancel the leakage current. 5C has a problem in that a pnp transistor having a large withstand voltage is used like in FIG. 5A. On the other hand, in general, in the transistor having the same current capacity, the bandwidth is limited as the breakdown voltage increases, and thus, when the leakage current capacity is large, there is a problem in that the frequency bandwidth at which the leakage current is canceled is reduced.
본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은, 저전압 소자를 사용할 수 있는, 누설전류를 억제하기 위한 능동형 이엠아이 필터로서, 시스템의 동작 전압과 무관하게 저전압 소자를 사용가능한 능동형 공통모드 이엠아이 필터를 제공하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the problems of the prior art as described above, and an object of the present invention is to provide an active EM filter for suppressing leakage current, which can use a low voltage device, and to operate the low voltage device regardless of the operating voltage of the system. It is to provide an active common mode EM filter that can be used.
본 발명의 또 다른 목적은, 시스템의 동작 전압과 무관한 능동형 공통모드 이엠아이 필터이면서도 전류 보상형 공통모드 이엠아이 필터를 제공하는 것이다.It is still another object of the present invention to provide an active common mode EM filter, which is independent of the operating voltage of the system, and a current compensation common mode EM filter.
도1은 단상 교류 입력에 연결된 PWM 인버터 시스템에서의 누설전류를 설명하기 위한 도면,1 is a view for explaining a leakage current in a PWM inverter system connected to a single-phase AC input;
도2는, 도1에서 전동기 중성점 s와 전원 접지 사이의 전압 vsg와 그에 따른 누설전류 isg파형도,FIG. 2 is a waveform diagram of voltage v sg between the motor neutral point s and power ground in FIG. 1 and corresponding leakage current i sg in FIG.
도3은 종래 기술에 의한 수동형 공통모드 필터의 개념도,3 is a conceptual diagram of a passive common mode filter according to the prior art;
도4는 종래 기술에 의한 능동형 공통모드 이엠아이 필터들의 개념도,4 is a conceptual diagram of an active common mode EM filter according to the prior art;
도5는 PWM 인버터 시스템에 대하여 고안된 종래의 능동형 공통모드 이엠아이 필터들로서, 도5a 및 도5b는 전압 검출, 전압 보상형, 도5c는 전류 검출, 전류 보상형임,5 is a conventional active common mode EM filter designed for a PWM inverter system, wherein FIGS. 5A and 5B are voltage detection, voltage compensation, and FIG. 5C is current detection, current compensation,
도6은 본 발명에 의한 능동형 공통모드 이엠아이 필터의 개념도,6 is a conceptual diagram of an active common mode EM filter according to the present invention;
도7은 본 발명에 의한 능동형 이엠아이 필터의 구현예로서 단상 교류기기 또는 직류기기의 필터의 예,7 is an example of a filter of a single phase AC device or a DC device as an embodiment of an active EM filter according to the present invention;
도8은 본 발명에 의한 능동형 이엠아이 필터의 구현예로서 단상 교류기기 또는 직류기기의 필터의 다른 예,8 is another example of a filter of a single phase AC device or a DC device as an embodiment of an active EM filter according to the present invention;
도9는 본 발명에 의한 능동형 이엠아이 필터의 구현예로서 3상 교류 기기용 필터의 예,9 is an example of a filter for a three-phase AC device as an embodiment of an active EM filter according to the present invention;
도10은 본 발명에 의한 능동형 이엠아이 필터의 구현예로서 3상 교류 기기용 필터의 다른 예,10 is another example of a filter for a three-phase AC device as an embodiment of an active EM filter according to the present invention;
도11은, 본 발명에 의한 능동형 공통모드 이엠아이 필터를 적용한 실험예에 사용된 PWM 인버터 시스템,11 is a PWM inverter system used in an experimental example to which an active common mode EM filter according to the present invention is applied;
도12는 본 실험에서 사용된 본 발명에 의한 능동형 공통모드 이엠아이 필터,12 is an active common mode EM filter according to the present invention used in this experiment,
도13는 본 실험에서 전도성 공통모드 이엠아이를 분리 측정하기 위하여 사용된 DMRN(Differential Mode Rejection Network) 회로,FIG. 13 is a differential mode rejection network (DMRN) circuit used to separate and measure a conductive common mode EM in this experiment; FIG.
도14는 본 발명에 의한 능동형 공통모드 이엠아이 필터가 없는 경우, 전도성 이엠아이 스펙트럼 및 누설전류 파형,14 is a diagram of a conductive EM eye spectrum and a leakage current waveform when there is no active common mode EM filter according to the present invention;
도15는 본 발명에 의한 능동형 공통모드 이엠아이 필터에서, 증폭기 회로를 제외하고 공통모드 인덕턴스 LCM만이 추가된 경우, 전도성 이엠아이 스펙트럼 및 누설전류 파형,도16는 본 발명에 의한 능동형 공통모드 이엠아이 필터 전체를 적용한 경우, 전도성 이엠아이 스펙트럼 및 누설전류 파형.15 is a diagram showing a conductive EM spectrum and a leakage current waveform when only a common mode inductance L CM is added except an amplifier circuit in the active common mode EM filter according to the present invention. When applied, the conductive EM spectrum and leakage current waveform.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 능동형 공통모드 이엠아이 필터는, 주전원과 전기기기 사이에 개재되고, 각 권선에 다른 방향의 전류(정상모드 전류, normal-mode current 또는 differential-mode current)가 흐르는 경우, 자속을 상쇄하고, 같은 방향의 전류(공통모드 전류, common-mode current)가 흐르는 경우 인덕터로서 작용하는 공통모드 인덕터; 상기 공통모드 인덕터의 반대방향으로 설치된 부가 권선; 상기 부가 권선에 입력단이 연결된 증폭기; 상기 증폭단의 전원으로서 상기 주전원과 별개의 증폭기 직류 전원; 상기 증폭기의 출력과 접지 사이에 설치되는 출력단 캐패시터; 및 상기 전기기기의 입력단, 또는 상기 전기기기 내부의 입력단 정류기 또는 컨버터 이후의 직류 전원단과, 상기 증폭기 직류 전원 사이에 개재되는 커플링캐패시터를 포함하는 것임을 특징으로 한다.In order to achieve the object as described above, the active common mode EM filter according to the present invention is interposed between a main power supply and an electric device, and has a different direction (normal mode current, normal-mode current, or differential-mode current) in each winding. A common mode inductor which cancels the magnetic flux when?) And acts as an inductor when a current in the same direction (common-mode current) flows; An additional winding installed in the opposite direction of the common mode inductor; An amplifier having an input connected to the additional winding; An amplifier direct current power source separate from the main power source as a power source of the amplifier stage; An output stage capacitor installed between the output of the amplifier and ground; And a coupling capacitor interposed between the input terminal of the electrical device, the DC power terminal after the input terminal rectifier or the converter inside the electrical device, and the amplifier DC power supply.
이하에서 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 의한 능동형 공통모드 이엠아이 필터를 상세하게 설명한다.Hereinafter, an active common mode EM filter according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도6은 본 발명에 의한 능동형 공통모드 이엠아이 필터의 개념도이다.6 is a conceptual diagram of an active common mode EM filter according to the present invention.
도6에서 LCM은 전원(vs)의 형태에 따라 마그네틱 코아에 2선(단상 교류 혹은 직류), 3선(3상 교류) 또는 다중의 입력 권선을 같은 방향으로 설치하여 각 권선에 다른 방향의 전류(정상모드 전류)가 흐르는 경우 서로 자속을 상쇄하며, 같은 방향의 전류(공통모드 전류)가 흐르는 경우 일반적인 인덕터로 작용하는 커먼코드 인덕터이다. 여기에 부가의 권선(60)을 반대방향으로 설치하여 증폭기(61)의 입력으로 한다. 증폭기의 출력은 출력단캐패시터(Cc)를 통하여, 대지로 접지되어 있다. 증폭기의 전원은 별도의 직류 전원(Vc)이 사용된다. 증폭기 전원(Vc)과 주회로 사이에 설치되는 커플링캐패시터(C0)는 낮은 주파수 신호에 대하여는 회로가 단절되어 주전원(vs)을 분리하고 높은 주파수 신호에서는 회로가 연결되도록 한다.In FIG. 6, L CM is provided with two wires (single phase alternating current or direct current), three wires (three phase alternating current), or multiple input windings in the magnetic core in the same direction according to the shape of the power supply v s . It is a common code inductor that acts as a general inductor when the currents (normal mode current) flow through each other and the magnetic fluxes cancel each other. An additional winding 60 is provided in the opposite direction to the input of the amplifier 61. The output of the amplifier is grounded to earth through the output capacitor C c . A separate DC power supply (Vc) is used for the power supply of the amplifier. The coupling capacitor C 0 installed between the amplifier power supply Vc and the main circuit allows the circuit to be disconnected for the low frequency signal to separate the main power supply v s and to connect the circuit for the high frequency signal.
더욱 상세하게 설명하면, LCM은 공통모드 전류가 흐르는 경우에만 인덕터로 작용하여 공통모드 전류에 비례하는 자속이 마그네틱 코아에 형성된다. 이 자속은 반대 방향으로 설치된 부가의 권선에 기전력을 유기시키고, 유기된 기전력은 트랜스-컨덕턴스 증폭기를 구동시킨다. 증폭기의 출력은 공통모드 전류에 따른 보상전류를 출력단캐패시터(Cc)를 통하여 공급하게 된다.본 명세서에서 사용되는 용어 "높은 주파수" 또는 "고주파수"는 일반적으로 9kHz 이상으로서 전도성 전자파 장애의 규제 대상이 되는 주파수 영역을 의미한다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 용어 "낮은 주파수" 또는 "저주파수"는 일반적으로 9kHz 미만의 주파수 영역을 의미하며, 예를 들어, 직류 또는 50 내지 60Hz의 전원 주파수를 의미한다.In more detail, the L CM acts as an inductor only when a common mode current flows, so that magnetic flux proportional to the common mode current is formed in the magnetic core. This magnetic flux induces electromotive force in the additional windings installed in the opposite direction, and the induced electromotive force drives the trans-conductance amplifier. The output of the amplifier is to supply the compensation current according to the common mode current through the output stage capacitor (C c ). As used herein, the term "high frequency" or "high frequency" is generally 9 kHz or more and is subject to the regulation of conductive electromagnetic interference. Means a frequency domain. In addition, the term "low frequency" or "low frequency" as used herein generally means a frequency range of less than 9 kHz, for example, direct current or a power source frequency of 50 to 60 Hz.
한편, 커플링캐패시터(C0)는 높은 주파수에서 시스템과 필터의 전원단 사이를 단락시켜서 높은 주파수에서 누설전류의 폐회로를 구성하게 된다. 또한 인덕터(LCM)는 높은 주파수에서 전원으로부터의 임피던스를 증가시켜서 결국 시스템에 의해 발생된 높은 주파수의 공통모드 전류는 커플링캐패시터(C0), 증폭기, 출력단캐패시터(Cc)를 통하여 시스템 내부에서만 순환하게 되고 전원(vs)으로부터 유입되는 누설전류의 양은 감소하게 된다.On the other hand, the coupling capacitor C 0 short-circuits between the system and the power supply stage of the filter at a high frequency to form a closed circuit of leakage current at a high frequency. The inductor L CM also increases the impedance from the power supply at high frequencies so that the high frequency common mode current generated by the system is internally coupled to the system through the coupling capacitor (C 0 ), amplifier, and output capacitor (C c ). Only circulates and the amount of leakage current flowing from the power supply v s decreases.
도7 내지 도10은 위에서 설명한 본 발명에 의한 능동형 이엠아이 필터의 구체적인 구현예를 도시한 것이다.7 to 10 show a specific implementation of the active EM filter according to the present invention described above.
도7은 본 발명에 의한 능동형 이엠아이 필터의 구현예로서 단상 교류기기 또는 직류기기의 필터의 예이다. 즉, 도7은 단상 교류 또는 직류 기기의 입력단에 본 발명에 의한 능동형 이엠아이 필터를 장착한 예이다. 인덕터 LCM이 전원 입력과 기기 사이에 설치되고, 커플링캐패시터(C0)가 기기 입력단에 연결되어 있고 기기는 대지에 접지되어 있다. 본 발명에 의한 필터는 인덕터 LCM을 통하여 흐르는 공통모드 누설전류를 검출하여 증폭기로 하여금 커플링캐패시터(C0), 출력단캐패시터(Cc)를 통하여 반대 방향의 보상 전류를 발생시켜서 기기의 접지와 고안된 회로 사이로만 누설전류가 순환하도록 하고 전원으로부터의 누설전류의 유입을 억제한다. 커플링캐패시터(C0)는 기기 입력의 전원단 전원과 증폭기의 전원 전압 사이에, 낮은 주파수에서는 높은 임피던스를 제공하여 증폭기 전원을 입력 전원과 분리하고 높은 주파수에서는 낮은 임피던스를 제공하여 누설전류의 폐회로를 구성하도록 한다.7 is an example of a filter of a single phase AC device or a DC device as an embodiment of an active EM filter according to the present invention. That is, Fig. 7 is an example in which an active EM filter according to the present invention is mounted on an input terminal of a single-phase AC or DC device. An inductor L CM is installed between the power input and the device, the coupling capacitor (C 0 ) is connected to the device input and the device is grounded to earth. The filter according to the present invention detects the common mode leakage current flowing through the inductor L CM and causes the amplifier to generate the compensating current in the opposite direction through the coupling capacitor C 0 and the output terminal capacitor C c to prevent the grounding of the device. Leakage current circulates only between the designed circuits and suppresses the leakage current from the power supply. The coupling capacitor C 0 provides a high impedance between the power supply of the device input and the power supply voltage of the amplifier, separating the amplifier power supply from the input power supply at low frequencies, and providing a low impedance at high frequencies to provide a closed circuit for leakage current. To be configured.
도8은 본 발명에 의한 능동형 이엠아이 필터의 구현예로서 단상 교류기기 또는 직류기기의 필터의 다른 예이다. 즉, 도8 역시 도7과 마찬가지로, 단상 교류 또는 직류 기기의 입력단에 본 발명에 의한 능동형 이엠아이 필터를 장착한 예이다. 도8에서는 커플링캐패시터(C0)를 기기 내부의 입력단 정류기(혹은 컨버터) 이후의 직류 전원단에 연결한 예이다. 인덕터 LCM이 교류 또는 직류의 전원 입력과 기기 내부의 입력단 정류기(혹은 컨버터) 사이에 설치되어 있고, 기기는 Vdc로 표현되는 직류 전원단에 또 다른 AD/DC 혹은 DC/DC의 기기가 접속되어 있고 이것은 대지에 접지되어 있다. 도8에 도시된 회로는 인덕터 LCM을 통해 흐르는 공통모드 누설전류를 검출하여 증폭기로 하여금 커플링캐패시터(C0), 출력단캐패시터(Cc)를 통하여 반대 방향의 보상 전류를 발생시켜서 기기의 접지와 본 발명에 의한 필터 회로 사이로만 누설전류가 순환하도록 하고 전원으로부터의 누설전류의 유입을 억제한다. 이때, 커플링캐패시터(C0)는 기기 입력의 전원단 전압과 증폭기의 전원 전압 사이에, 낮은 주파수에서는 높은 임피던스를 제공하여 증폭기 전원을 입력 전원과 분리하고 높은 주파수에서는 낮은 임피던스를 제공하여 누설전류의 폐회로를 구성한다.8 is another example of a filter of a single phase AC device or a DC device as an embodiment of an active EM filter according to the present invention. That is, FIG. 8 is an example in which the active EM filter according to the present invention is mounted on the input terminal of a single-phase AC or DC device similarly to FIG. In FIG. 8, the coupling capacitor C 0 is connected to the DC power terminal after the input stage rectifier (or converter) inside the device. An inductor L CM is installed between the AC or DC power input and the input rectifier (or converter) inside the device, and the device is connected to another AD / DC or DC / DC device by means of a DC power supply expressed in Vdc. It is grounded to earth. The circuit shown in Fig. 8 detects the common mode leakage current flowing through the inductor L CM and causes the amplifier to generate the compensating current in the opposite direction through the coupling capacitor C 0 and the output stage capacitor C c to ground the device. The leakage current circulates only between the filter circuit and the filter circuit of the present invention, and the inflow of the leakage current from the power supply is suppressed. At this time, the coupling capacitor C 0 provides a high impedance between the power terminal voltage of the device input and the power supply voltage of the amplifier to separate the amplifier power supply from the input power supply at a low frequency and provides a low impedance at the high frequency to provide a leakage current. Constitute a closed circuit.
도9는 본 발명에 의한 능동형 이엠아이 필터의 구현예로서 3상 교류 기기용 필터의 예이다. 즉, 도9는 3상 교류기기의 입력단에 본 발명에 의한 능동형 이엠아이 필터를 장착한 예이다. 도9에 도시된 구현예에서는 3상 전원과 증폭기 전원 사이를 고주파에서 단락시키기 위하여 3상의 각 상에 연결된 커플링캐패시터(C0)를 통하여 증폭기 전원으로 연결한다. 인덕터 LCM이 기기의 전원 입력과 기기 내부의 입력단 정류기(혹은 컨버터) 사이에 설치되고, 기기는 대지에 접지되어 있다. 인덕터 LCM을 통하여 흐르는 공통모드 누설전류를 검출하여 증폭기로 하여금 커플링캐패시터(C0) 및 출력단캐패시터(Cc)를 통하여 반대 방향의 보상 전류를 발생시켜서 기기의 접지와 본 발명에 의한 필터 회로 사이로만 누설전류가 순환하도록 하고 전원으로부터의 누설전류의 유입을 억제한다. 이때에, 커플링캐패시터(C0)는 기기 입력단 전원단 전압과 증폭기의 전원 전압 사이에, 낮은 주파수에서는 높은 임피던스를 제공하여 증폭기 전원을 입력 전원과 분리하고, 높은 주파수에서는 낮은 임피던스를 제공하여 누설전류의 폐회로를 구성한다.9 is an example of a filter for a three-phase AC device as an embodiment of an active EM filter according to the present invention. That is, Fig. 9 is an example in which an active EM filter according to the present invention is mounted on an input terminal of a three-phase AC device. In the embodiment shown in Fig. 9, a coupling capacitor C 0 connected to each phase of each of the three phases is connected to the amplifier power source in order to short-circuit the high frequency between the three-phase power source and the amplifier power source. An inductor L CM is installed between the power input of the device and the input rectifier (or converter) inside the device, and the device is grounded to earth. By detecting the common mode leakage current flowing through the inductor L CM , the amplifier generates the compensating current in the opposite direction through the coupling capacitor C 0 and the output capacitor C c so that the grounding of the device and the filter circuit according to the present invention are performed. Leakage current circulates only between and suppresses leakage current from the power supply. At this time, the coupling capacitor C 0 separates the amplifier power from the input power by providing a high impedance at a low frequency between the power input voltage of the device and the power supply voltage of the amplifier, and provides a low impedance at a high frequency. Construct a closed circuit of current.
도10은 본 발명에 의한 능동형 이엠아이 필터의 구현예로서 3상 교류 기기용 필터의 다른 예이다. 도10 역시 도9와 마찬가지로, 3상 교류기기의 입력단에 본 발명에 의한 능동형 이엠아이 필터를 장착한 예이다. 도10에서는 커플링캐패시터(C0)를 기기 내부의 3상 정류기(혹은 컨버터) 이후의 직류 전원단에 연결한 예이다. 인덕터 LCM이 전원 입력과 기기 내부의 입력단 정류기(혹은 컨버터) 사이에 설치되고, 기기는 Vdc로 표현되는 직류 전원단에 또 다른 AC/DC 혹은 DC/DC의 기기가 접속되어 있고 기기는 대지에 접지되어 있다. 인덕터 LCM을 통하여 흐르는 공통모드 누설전류를 검출하여 증폭기로 하여금 커플링캐패시터(C0), 출력단캐패시터(Cc)를 통하여 반대 방향의 보상 전류를 발생시켜서 기기의 접지와 본 발명에 의한 필터 회로 사이로만 누설전류가 순환되도록 하고 전원으로부터의 누설전류 유입을 억제한다. 이때, 커플링캐패시터(C0)는 기기 입력의 전원단과 증폭기의 전원 전압 사이에, 낮은 주파수에서는 높은 임피던스를 제공하여 증폭기 전원을 입력 전원과 분리하고, 높은 주파수에서는 낮은 임피던스를 제공하여 누설전류의 폐회로를 구성한다.10 is another example of a filter for a three-phase AC device as an embodiment of an active EM filter according to the present invention. FIG. 10 also shows an example in which an active EM filter according to the present invention is mounted on an input terminal of a three-phase AC device. In FIG. 10, the coupling capacitor C 0 is connected to the DC power supply terminal after the three-phase rectifier (or converter) inside the device. An inductor L CM is installed between the power supply input and the input rectifier (or converter) inside the device, and the device is connected to another AC / DC or DC / DC device at the DC power supply terminal expressed in Vdc and the device is connected to the earth. It is grounded. By detecting the common mode leakage current flowing through the inductor L CM , the amplifier generates the compensating current in the opposite direction through the coupling capacitor C 0 and the output capacitor C c so that the grounding of the device and the filter circuit according to the present invention are performed. The leakage current is circulated only between and the leakage current from the power supply is suppressed. At this time, the coupling capacitor C 0 separates the amplifier power supply from the input power supply at a low frequency between the power supply terminal of the device input and the power supply voltage of the amplifier, and separates the amplifier power supply from the input power supply. Construct a closed circuit.
이하에서는 구체적인 시스템에 본 발명에 의한 능동형 공통모드 이엠아이 필터를 적용한 실험예를 설명한다.Hereinafter, an experimental example in which an active common mode EM filter according to the present invention is applied to a specific system will be described.
도11은 본 실험에서 사용된 PWM 인버터 시스템으로서, 에어컨용 컴프레서 구동 유닛이며 이엠아이 분석을 위하여 필터 스테이지가 수정되었다. 도12는 본 실험에서 사용된 본 발명에 의한 능동형 공통모드 이엠아이 필터이다.Fig. 11 is a PWM inverter system used in this experiment, which is a compressor driving unit for an air conditioner and the filter stage is modified for EM analysis. 12 is an active common mode EM filter according to the present invention used in this experiment.
실험 대상 시스템의 정수 및 운전 조건은 다음의 표1과 같다.The parameters and operating conditions of the test target system are shown in Table 1 below.
도12에 도시된 본 발명에 의한 능동형 공통모드 이엠아이 필터에서는, 전원 전류 리플을 감지하는 리플 전류를 제거하는 기법에 기반하고 있으며, 필터 회로에서 생기는 상 지연을 최소화하기 위하여 단일 스테이지 푸시풀 증폭기를 사용하였고, 증폭기의 전원으로서 12V의 직류 전압을 사용하였다.In the active common mode EM filter according to the present invention shown in Fig. 12, it is based on a technique of eliminating the ripple current sensing the supply current ripple, and uses a single stage push-pull amplifier to minimize the phase delay occurring in the filter circuit. DC voltage of 12V was used as a power supply for the amplifier.
전원측 공통모드 전류는 도12에 도시된 공통모드 초크에 고주파의 리플 자속을 만들고, 이것은 부가 권선에 고주파 전압을 만들게 된다. 고주파 전압은 저항과 증폭기의 입력 임피던스에 의해 전류로 변환되다. 증폭기는 측정된 신호에 따라 고주파 전류에 대하여 인버터와 전동기 사이에 낮은 임피던스 경로를 제공하게 된다. 고주파 전류의 경로를 형성하기 위하여 직류단 전압과 제어 전원 사이에 두 개의 커플링캐패시터(C0)가 사용되었다. 이 캐피시터들은 낮은 주파수에서 경로를 차단하기 위하여 작은 값을 사용하여야 한다. 이와 같이 낮은 주파수에서는 커플링캐피시터에 의하여 경로가 차단되므로 낮은 주파수의 공통모드 전류를 본 발명에 의한 필터에서 차단되지 않는다. 한편, 출력단캐패시터(Cc) 또는 낮은 주파수의 신호는 차단하면서 높은 주파수에서 접지와 필터 출력을 연결한다.The power supply side common mode current creates a high frequency ripple magnetic flux in the common mode choke shown in Fig. 12, which creates a high frequency voltage in the additional winding. The high frequency voltage is converted to current by the resistance and the input impedance of the amplifier. The amplifier provides a low impedance path between the inverter and the motor for high frequency currents depending on the measured signal. Two coupling capacitors (C 0 ) were used between the DC link voltage and the control power supply to form the path of the high frequency current. These capacitors should use small values to cut the path at low frequencies. At this low frequency, the path is blocked by the coupling capacitor, so that the low frequency common mode current is not blocked in the filter according to the present invention. On the other hand, the output terminal capacitor (Cc) or low-frequency signal is connected to the ground and the filter output at a high frequency.
이제 본 발명에 의한 능동형 공통모드 이엠아이 필터에 의한 전도성 이엠아이의 감쇄 효과를 설명한다.Now, the attenuation effect of the conductive EM by the active common mode EM filter according to the present invention will be described.
전도성 이엠아이의 측정에서, 도11에서 50Ω중 하나는 더미 저항으로, 다른 하나는 스펙트럼 분석기의 입력 임피던스로 사용된다. 전체 전도성 이엠아이는 정상모드 이엠아이와 공통모드 이엠아이의 합이므로 도13과 같은 DMRN(Differential Mode Rejection Network)를 사용하여 전도성 공통모드 이엠아이를 분리하여 측정하였다.In the measurement of the conductive EM, in FIG. 11 one of 50Ω is used as the dummy resistor and the other is used as the input impedance of the spectrum analyzer. Since the total conductive EM is the sum of the normal mode EM and the common mode EM, the conductive common mode EM is separated and measured using the DMRN (Differential Mode Rejection Network) as shown in FIG. 13.
도14는 본 발명에 의한 능동형 공통모드 이엠아이 필터가 없는 경우, 전도성 이엠아이 스펙트럼으로서, 도14a는 전체(정상모드와 공통모드를 포함) 전도성 이엠아이 스펙트럼이고, 도14b는 공통모드 이엠아이 스펙트럼이고 도14c는 전동기 누설전류의 파형이다. 전체 이엠아이가 공통모드 이엠아이에 비하여 약간 큰 것을 알 수 있지만, 그 차이가 작기 때문에 정상모드와 공통모드 이엠아이 중 어떤 것이 지배적이라고 말할 수 없다.FIG. 14 is a conductive EM eye spectrum when there is no active common mode EM filter according to the present invention. This is the waveform of the leakage current of the motor. It can be seen that the entire EM is slightly larger than the common mode EM, but since the difference is small, it cannot be said that any of the normal mode and the common mode EM is dominant.
도15는 본 발명에 의한 능동형 공통모드 이엠아이 필터에서, 증폭기 회로를 제외하고 공통모드 인덕턴스 LCM만이 추가된 경우, 전도성 이엠아이 스펙트럼으로서, 도15a는 전체(정상모드와 공통모드를 포함) 전도성 이엠아이 스펙트럼이고, 도15b는 공통모드 이엠아이 스펙트럼이고 도15c는 전동기 누설전류의 파형이다. 도14와 비교하여 볼 때에, 공통모드 인덕터의 누설 인덕턴스에 의하여 전체 이엠아이고 약간 감소하였으나, 그 감쇄율은 공통모드의 경우와 같지 않다. 공통모드의 경우, 전류 경로상의 임피던스가 크게 증가하였기 때문에, 도15c에서 보듯이 누설전류의 피크값이 감소하였으며, 그 주파수 또한 약간 완만하게 되었다. 전체 이엠아이와 공통모드 이엠아이의 차이가 10dBμV이하이므로 정상모드 이엠아이 감쇄 기법의 적용을 분리해서 생각하기에는 아직 충분하지 않다.15 is a conductive EM eye spectrum when only the common mode inductance L CM is added except an amplifier circuit in the active common mode EM filter according to the present invention. 15B is a common mode EM spectrum and FIG. 15C is a waveform of a motor leakage current. Compared with Fig. 14, the total inductance is slightly reduced by the leakage inductance of the common mode inductor, but the attenuation rate is not the same as in the case of the common mode. In the common mode, since the impedance on the current path increased greatly, the peak value of the leakage current decreased as shown in Fig. 15C, and the frequency also became slightly gentle. Since the difference between the entire EM and the common mode EM is less than 10dBμV, it is not enough to consider the application of the normal mode EM attenuation technique separately.
도16은 본 발명에 의한 능동형 공통모드 이엠아이 필터가 설치되는 경우, 전도성 이엠아이 스펙트럼으로서, 도16a는 전체(정상모드와 공통모드를 포함) 전도성 이엠아이 스펙트럼이고, 도16b는 공통모드 이엠아이 스펙트럼이고 도16c는 전동기 누설전류의 파형이다. 도15에 비하여 공통모드 이엠아이가 적어도 10dBμV 이상 감쇄되었다. 전원으로 환원되는 누설전류(도16c)에서 대부분의 고주파 전류는 본 발명에 의한 필터에 의하여 사라지게 되고, 저주파 신호만이 남게 된다. 도16a와 도16b를 비교하면, 이 경우에는 공통모드 이엠아이(도16b)가 전체 이엠아이(도16a)에 비하여 명백하게 작은 상태가 되므로 이제 정상모드 이엠아이가 전체 이엠아이를 결정하게 된다.FIG. 16 is a conductive EM eye spectrum when the active common mode EM filter according to the present invention is installed, and FIG. 16A is a whole (including normal mode and common mode) conductive EM eye spectrum, and FIG. 16B is a common mode EM eye spectrum and FIG. 16C. Is the waveform of the motor leakage current. Compared to Fig. 15, the common mode EM is attenuated by at least 10 dB mu V or more. In the leakage current (FIG. 16C) reduced to the power supply, most of the high frequency currents disappear by the filter according to the present invention, and only the low frequency signal remains. Comparing Figs. 16A and 16B, in this case, since the common mode EM (Fig. 16B) is clearly smaller than the entire EM (Fig. 16A), the normal mode EM is now determining the entire EM.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 능동형 공통모드 이엠아이 필터에서는, 증폭기의 전원으로서 시스템 동작 전압과는 무관한 별도의 전원을 사용하되, 저주파에서의 절연과 고주파에서의 폐회로 구성을 위하여 작동하는 커플링캐패시터에 의하여 누설전류를 내부에서 순환시키므로, 저전압의 증폭기 소자를 사용할 수 있다. 그 결과, 종래기술에 의한 필터 회로보다 빠른 소자를 사용하는 것이 가능하고, 어떠한 직류단 전압의 크기와 관계없이 적용이 가능하다. 본 발명에서는, 전류 검출 전류 보상 방식을 사용하면서도, 종래기술에 의한 능동형 이엠아이 필터에서, 증폭기의 pnp, npn 트랜지스터가 모두 전체 직류 전압을 감당하여야 하는 것으로부터 발생하는 문제점인 내전압이 큰 트랜지스터를 사용하여야 하는 문제점을 해결할 수 있다.As described above, in the active common mode EM filter according to the present invention, a separate power source that is independent of the system operating voltage is used as a power source of the amplifier, but is operated for isolation at low frequencies and closed circuit configuration at high frequencies. Since the leakage current is circulated internally by the ring capacitor, a low voltage amplifier element can be used. As a result, it is possible to use an element that is faster than the filter circuit according to the prior art, and can be applied regardless of the magnitude of any DC link voltage. In the present invention, while using the current detection current compensation method, in the active EM filter according to the prior art, it is necessary to use a transistor having a large withstand voltage, which is a problem arising from the fact that both the pnp and npn transistors of the amplifier must bear the full DC voltage. This can solve the problem.
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