6극 압축기를 8극으로 변경한 뒤 2kHz DPWM 인버터 구동 조건에서 150kHz 전도성 방출(Conducted Emission, CE) 노이즈가 상승했다. 압축기 구동을 정지하거나 보호접지(PE)를 분리했을 때 노이즈가 크게 줄어든 점을 단서로 공통 모드 전류의 귀환 경로를 추적했고, PE 라인에 페라이트 코어를 10턴 이상 권선하는 대책으로 규제치를 만족했다.
이 글은 해당 시험에서 확인된 원인, 채택하지 않은 대책의 이유, 양산 전에 다시 확인해야 할 항목을 정리한다.
목차
시험 조건과 문제 현상
| 항목 | 조건 및 현상 |
|---|---|
| 인버터 제어 | 2kHz 스위칭 주파수, DPWM 방식 |
| 압축기 변경 | 6극 모터에서 8극 모터로 변경 |
| 문제 대역 | 150kHz CE 노이즈 상승 |
| 진단 결과 1 | 압축기 구동 정지 시 노이즈 대폭 감소 |
| 진단 결과 2 | 제품 PE 분리 시 노이즈 대폭 감소 |
PE 분리는 공통 모드 전류 경로를 확인하기 위한 진단 조건이다. 보호접지를 제거한 상태를 제품 대책으로 사용할 수는 없다.
150kHz 노이즈가 증가한 원인
150kHz는 2kHz 스위칭의 75차 고조파 영역이다
150kHz와 스위칭 주파수의 관계는 다음과 같다.
\[\frac{150\,\mathrm{kHz}}{2\,\mathrm{kHz}}=75\]따라서 문제가 나타난 150kHz는 2kHz 스위칭 주파수의 75차 고조파 영역에 해당한다.
또한 동일 회전수에서 모터 극수가 6극에서 8극으로 증가하면 전기적 주파수는 33.3% 증가한다. 스위칭 주파수 대비 기본파 비율이 낮아지고 고조파 측파대 에너지가 달라지는 조건이 만들어진다.
8극 모터의 대지 기생 커패시턴스 증가
8극 모터는 권선과 슬롯 구조가 달라진다. 이 변경으로 고정자 권선과 압축기 외함 사이의 대지 기생 커패시턴스 \(C_g\)가 증가한 것으로 분석했다.
스위칭 시 대지로 흐르는 공통 모드 전류는 다음 관계로 설명할 수 있다.
\[I_{cm}=C_g\times\frac{dv}{dt}\]동일한 \(dv/dt\)에서도 \(C_g\)가 커지면 공통 모드 전류가 증가한다.
공통 모드 노이즈의 귀환 경로
시험 결과로 추정한 폐루프는 다음 순서다.
인버터 스위칭 소자 → 모터 권선 → Cg → 압축기 외함 → 제품 샤시 → PE → LISN → 전원단
압축기 운전을 멈추거나 PE를 분리했을 때 150kHz 노이즈가 크게 감소한 결과는 이 경로가 지배적이라는 판단을 뒷받침한다.
검토한 대책과 채택 여부
| 검토 항목 | 판단 | 이유 |
|---|---|---|
| PE 라인 페라이트 코어 권선 | 채택 | 10턴 이상 권선으로 150kHz 대역 임피던스를 확보해 대지 귀환 공통 모드 전류를 억제했고 규제치를 만족함 |
| Y-Cap 용량 변경 | 미채택 | 노이즈가 압축기 외함과 제품 샤시를 통해 직접 결합하는 구조여서 PCB 전원단 Y-Cap으로 샤시 루프 전류를 충분히 바이패스하지 못함 |
| 게이트 저항 \(R_g\) 증가 | 미채택 | \(dv/dt\)는 낮출 수 있지만 2kHz DPWM의 스위칭 손실 저감 목적과 발열 한계를 유지하기 어려움 |
| 압축기-PCB 직결 본딩 | 미채택 | 압축기와 메인 PCB 사이 거리가 멀어 저인덕턴스 편조선 연결을 구현하기 어려움 |
Y-Cap의 일반적인 역할과 선정 기준은 SMPS Y-Cap의 EMC와 가청 소음에서 확인할 수 있다. 이번 사례에서는 노이즈 경로가 달라 Y-Cap 변경을 채택하지 않았다.
채택 대책: PE 라인 페라이트 코어 10턴 이상
최종 대책은 PE 라인에 페라이트 코어를 넣고 접지선을 10턴 이상 권선하는 방법이다. 다권선으로 150kHz 대역의 임피던스를 높여 PE를 통한 고주파 공통 모드 귀환 전류를 억제했다. 시험에서는 이 대책을 적용한 뒤 CE 규제치를 만족했다.
다른 제품에 동일한 10턴 조건을 적용하려면 코어 특성과 실제 노이즈 경로를 기준으로 재검증해야 한다.
양산 전 확인할 세 가지
보호접지 연속성과 발열
보고서에서는 IEC/EN 60335 등의 안전 규격을 고려해 25A~32A를 인가하는 접지 연속성 시험에서 다음 항목을 확인하도록 제안한다.
- 접지 저항 0.1Ω 이하 만족 여부
- 코어 내부 접지선의 발열 여부
- 권선과 단자부의 기계적 건전성
위 수치는 보고서가 제시한 점검 기준이며, 실제 적용 제품의 규격 판정은 해당 제품에 적용되는 최신 안전 규격과 시험 조건을 확인해야 한다.
고주파 CE와 RE 재스캔
10턴 이상 권선하면 턴간 기생 정전용량이 증가한다. 실제로 이 영향으로 수 MHz 이상의 CE 또는 30MHz~1GHz 방사성 방출(RE) 대역에서 노이즈가 다시 상승하였다.
150kHz 한 지점만 확인하지 말고 전체 CE·RE 스펙트럼을 다시 측정해야 한다.
압축기 진동에 대한 기구 대책
압축기 진동이 계속되면 페라이트 코어 모서리와 접지선 피복이 마찰할 수 있다. 다음과 같은 보호 조치를 함께 검토한다.
- 코어 내경 테이핑
- 접지선 수축 튜브 보강
- 코어 고정 홀더 적용
- 진동 내구 시험 후 피복 손상 확인
정리
이번 150kHz CE 문제는 8극 압축기 변경으로 전기적 주파수와 권선 구조가 달라지고, 권선-외함 사이 기생 커패시턴스를 통한 공통 모드 귀환 전류가 증가한 현상으로 분석했다. 압축기 정지와 PE 분리 시험으로 경로를 좁힌 뒤, PE 라인 페라이트 코어 10턴 이상 권선으로 150kHz 대역 임피던스를 높여 규제치를 만족했다.
양산 적용 전에는 접지 연속성·발열, 전체 CE·RE 스펙트럼, 진동에 의한 접지선 피복 마모를 반드시 함께 확인해야 한다. 다른 제품에 적용할 때는 코어의 주파수 특성과 제품별 공통 모드 귀환 경로를 다시 확인한다.
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