KR101898294B1 - 공통모드 노이즈필터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 공통모드 노이즈필터에 관한 것으로, 상기 발명은 일단이 외부의 제1 전선과 연결되어 전류가 흐르는 제1 도선몸체; 일단이 외부의 제2 전선과 연결되어 전류가 흐르는 제2 도선몸체; 상기 제1 및 제2 도선몸체들 각각의 타단들 사이에 게재되어 상기 제1 및 제2 도선몸체들을 연결하고, 섀시접지에 연결되는 중공을 가진 원통형커패시터; 및 중앙부는 상기 원통형커패시터의 중공에 삽입되어 배치되고, 좌측부는 상기 중앙부의 일단으로부터 상기 제1 도선몸체의 중심을 관통하여 상기 제1 전선의 방향으로 연장되어 형성되며, 우측부는 상기 중앙부의 타단으로부터 상기 제2 도선몸체의 중심을 관통하여 상기 제2 전선의 방향으로 연장되어 형성되는 제3 도선몸체를 포함하는 것을 특징으로 한다. 이에 의해, 본 발명은 표피효과(Skin Effect)를 이용하여 고주파 전류와 저주파 전류가 분리되어 필터링되는 구조를 통해 공통모드 고주파 전류를 감소시킴으로써 제조 비용을 절감할 수 있다.

Description

공통모드 노이즈필터{Common mode noise filter}

본 발명은 공통모드 노이즈필터에 관한 것으로, 구체적으로는 고주파 공통모드 노이즈를 제거하기 위한 공통모드 노이즈필터에 관한 것이다.

전기 동력을 이용한 차량과 같이 전원으로써 고전압을 이용하는 경우, 인버터 등의 앞 단에 연결된 DC-링크 커패시터 사이에 고전압 버스들이 존재하며, 이들은 전기적 섀시(Electrical Chassis)로부터 격리되어 인체가 섀시 접촉시 감전되는 것을 방지한다.

이와 같이 고전압 버스가 전기적 섀시에 접지되어 있지 않은 경우에는, 전압공급 라인에 노이즈 전원과 부유 용량(Stray Capacitance)이 존재할 수 있다. 이 경우, 노이즈 전원으로부터 고전압 버스로 동일한 방향의 공통모드 전류(Common mode current)가 형성되고, 부유 용량을 통해 전기적 섀시로 누설 전류가 흐르며, 이것은 시스템간 용량 결합을 통해 통신 신호선에 전달된다.

특히 고주파 공통모드 노이즈는 라디오와 같은 방송기기를 포함한 통신시스템에 전자기적 간섭(EMI, Electromagnetic Interference)을 일으키는 문제를 가지고 있다.

이러한 문제를 해결하기 위한 종래의 방법 중 하나는 고전압 (+)버스와 섀시사이, 고전압 (-)버스와 섀시사이 각각에 Y 커패시터(capacitor)를 장착하여 공통모드 전류가 통신시스템을 우회(bypass)하도록 설계되어 있다.

이외에도, 공통모드 전류에 대해 코일이나 페라이트를 사용한 공통모드 전류필터, 그리고 케이블 및 커넥터 차폐(shielding) 등을 통해 고주파 노이즈를 억제하는 방법이 이용되고 있다.

그러나, 종래의 방법 중 Y 커패시터를 사용하는 방법은 Y 커패시터가 연결된 고전압 버스 분기점에서 공통모드 전류가 고전압 버스, Y 커패시터 2개의 전류 경로로 나누어지므로 Y 커패시터 만으로는 공통모드 전류를 제거하기에는 한계가 있다.

또한, 종래의 방법 중 공통모드 전류필터를 사용하는 방법은, 전기동력 차량과 같이 전력용량이 큰 경우, 인덕터를 이용한 공통모드 전류필터의 무게 및 크기가 커지는 단점이 있다. 그리고 케이블 및 커넥터 차폐를 이용한 방법은 고도의 기술력이 요구되어 상대적으로 설계 및 제조비용이 증가하는 문제를 가진다.

KR 10-2010-0075314 A, 2010. 07. 02, 도면 4

본 발명의 목적은 표피효과(Skin Effect)를 이용하여 고주파 전류와 저주파 전류가 분리되어 필터링되는 구조를 이용하여 공통모드 고주파 전류를 감소시킴으로써 제조 비용을 절감할 수 있는 공통모드 노이즈필터를 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 공통모드 노이즈필터는 일단이 외부의 제1 전선과 연결되어 전류가 흐르는 제1 도선몸체; 일단이 외부의 제2 전선과 연결되어 전류가 흐르는 제2 도선몸체; 상기 제1 및 제2 도선몸체들 각각의 타단들 사이에 게재되어 상기 제1 및 제2 도선몸체들을 연결하고, 섀시접지에 연결되는 중공을 가진 원통형커패시터; 및 중앙부는 상기 원통형커패시터의 중공에 삽입되어 배치되고, 좌측부는 상기 중앙부의 일단으로부터 상기 제1 도선몸체의 중심을 관통하여 상기 제1 전선의 방향으로 연장되어 형성되며, 우측부는 상기 중앙부의 타단으로부터 상기 제2 도선몸체의 중심을 관통하여 상기 제2 전선의 방향으로 연장되어 형성되는 제3 도선몸체를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 원통형커패시터는, 상기 제1 및 제2 도선몸체들의 타단들과 접하는 부분들에 중공을 가진 커패시터전극들 각각을 포함할 수 있다. 상기 원통형커패시터는 복수개 마련되어 직렬로 연결될 수 있다.

상기 제3 도선몸체의 좌측부는 상기 중앙부의 일단으로부터 상기 제1 전선의 방향으로 횡단면의 면적이 좁아지면서 연장되고, 상기 제3 도선몸체의 우측부는 상기 중앙부의 타단으로부터 상기 제2 전선의 방향으로 횡단면의 면적이 좁아지면서 연장될 수 있다. 여기서 상기 제3 도선몸체의 일단부 및 타단부는 사다리꼴 원통모양일 수 있다.

상기 제1 및 제2 도선몸체의 각각과, 이들을 각각 관통하여 형성된 상기 제3 도선몸체는 서로 절연될 수 있다. 또한 상기 제1 및 제2 도선몸체의 저항율이 상기 제3 도선몸체의 저항율보다 작을 수 있고, 상기 제1 및 제2 도선몸체의 투자율이 상기 제3 도선몸체의 투자율보다 클 수 있다.

상기 제1 및 제2 도선몸체의 단면직경과, 상기 제3 도선몸체의 단면직경과, 상기 원통형커패시터의 단면직경은 제조에 사용되는 소재의 물성에 따라 정해질 수 있다.

사전에 정해진 지점에서 상기 제1 및 제2 도선몸체의 단면직경과 상기 제3 도선몸체의 단면직경의 차이에 대한 절대값이 표피깊이(skin depth)의 2배로 정해질 수 있다.

이와 같이, 본 발명은 표피효과(Skin Effect)를 이용하여 고주파 전류와 저주파 전류를 분리하고 분리된 고주파 전류를 섀시접지를 통해 우회시키는 필터링 구조를 이용하여 공통모드 고주파 전류를 감소시킴으로써 종래에 비해 소형화 및 경량화를 구현할 수 있고, 제조 비용을 절감할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 공통모드 노이즈필터의 사시도이다.
도 2는 도 1의 공통모드 노이즈필터를 설명하기 위한 분해 사시도이다.
도 3은 도 1의 공통모드 노이즈필터에서 원통형커패시터가 두 개인 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 공통모드 노이즈필터가 적용된 회로도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 공통모드 노이즈필터의 기능을 설명하기 위한 동작 개념도이다.

이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 공통모드 노이즈필터에 대하여 설명한다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 공통모드 노이즈필터의 사시도이고, 도 2는 도 1의 공통모드 노이즈필터를 설명하기 위한 분해 사시도이다. 도 3은 도 1의 공통모드 노이즈필터에서 원통형커패시터가 두 개인 도면이다.

도 1을 참조하면 본 실시예에 따른 공통모드 노이즈필터(1)는 고주파 및 저주파 전류가 흐르는 제1 도선몸체(10) 및 제2 도선몸체(20)와, 고주파 전류를 우회(bypass)시켜 섀시접지로 보내는 원통형커패시터(30), 저주파 전류가 흐르는 제3 도선몸체(40)로 이루어질 수 있다.

제1 도선몸체(10)는 원통형커패시터(30)에 접하지 않는 일단이 외부의 제1 전선과 연결되고 제2 도선몸체(20)는 원통형커패시터(30)에 접하지 않는 일단이 외부의 제2 전선과 연결된다.

도 2에 도시된 바와 같이, 원통형커패시터(30)는 중공을 가진 원통형태로서 제1 도선몸체(10) 및 제2 도선몸체(20)들 각각의 타단들 사이에 게재되어 제1 및 제2 도선몸체들(10,20)을 연결하고, 섀시접지에 연결되며, 중공을 가진 원통형태이다. 표피효과(skin effect)에 의해 제1 도선몸체(10) 또는 제2 도선몸체(20)의 표면을 통해 전달된 고주파 전류를 우회시켜 섀시접지로 흘려 보낼 수 있다.

원통형커패시터(30)는, 제1 및 제2 도선몸체들(10,20)의 타단들과 접하는 부분들에 중공을 가진 커패시터전극들(32) 각각을 포함할 수 있다. 커패시터전극(32)들을 통해 제1 및 제2 도선몸체들(10,20)의 표면을 흐르는 고주파 전류가 유입되어 섀시접지로 유출될 수 있다.

원통형커패시터(30)는 도 1과 같이 하나로 마련되거나 도 3과 같이 두 개로 마련되어 직렬로 연결될 수 있다. 이와 같이 원통형커패시터(30)의 개수를 조정함으로써 필터링 특성을 조절할 수 있다.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 제3 도선몸체(40)는 원통형커패시터(30)의 중공에 삽입되어 배치되는 중앙부(42)와, 중앙부(42)의 일단으로부터 제1 도선몸체(10)의 중심을 관통하여 1 전선의 방향으로 연장되어 형성되는 좌측부(44)와, 중앙부(42)의 타단으로부터 제2 도선몸체(20)의 중심을 관통하여 제2 전선의 방향으로 연장되어 형성되는 우측부(46)로 구분할 수 있다.

좌측부(44)는 중앙부(42)의 일단으로부터 제1 전선의 방향으로 횡단면의 면적이 좁아지면서 연장되고, 우측부(46)는 중앙부(42)의 타단으로부터 제2 전선의 방향으로 횡단면의 면적이 좁아지면서 연장되어 형성될 수 있다.

예를 들면, 제3 도선몸체(40)의 일단부 및 타단부는 사다리꼴 원통모양으로 형성될 수 있다. 본 실시예에서는 일단부 및 타단부의 모양을 원통모양으로 형성하였으나 소재 및 필터링 특성을 고려하여 사다리꼴 원통모양의 변형된 형태도 가능하다.

제1 도선몸체(10)와 이를 관통하여 형성된 제3 도선몸체(40)의 좌측부(44)가 서로 절연되도록 형성되고, 제2 도선몸체(20)와 이를 관통하여 형성된 제3 도선몸체(40)의 우측부(46)가 서로 절연되도록 형성될 수 있다.

또한, 제1 및 제2 도선몸체(10,20)의 저항율이 제3 도선몸체(40)의 저항율보다 작고, 제1 및 제2 도선몸체(10,20)의 투자율이 제3 도선몸체(40)의 투자율보다 클 수 있다. 이에 의해 제1 및 제2 도선몸체(10,20)의 전류가 제3 도선몸체(40)로 침투하기 어렵게 할 수 있다.

한편, 제1 및 제2 도선몸체(10,20)의 단면직경과, 제3 도선몸체(40)의 단면직경과, 원통형커패시터의 단면직경과 같은 본 실시예에 따른 공통모드 노이즈필터(1)의 규격은 제조에 사용되는 소재의 물성 또는 요구되는 필터링의 특성에 따라 정해질 수 있다.

사전에 정해진 지점에서 제1 및 제2 도선몸체(10,20)의 단면직경과 제3 도선몸체의 단면직경의 차이에 대한 절대값이 표피깊이(skin depth)의 2배로 정해질 수 있다.

표피깊이(skin depth)는 전도물질의 표면아래 깊이의 전류밀도가 1/e (e는 자연로그의 밑수)로 떨어지는 지점으로 정의된다. 보통 표피깊이는 다음 수학식 1과 같이 근사화하여 선정할 수 있다.

여기서, ρ 는 저항율(resistivity, 단위: Ω·m), ω는 금속도선을 흐르는 전기신호 중에 필터링하려는 목표 노이즈 각주파수 (angular frequency, 단위: rad/s), μ는 투자율(permeability, 단위: H/m)이다.

이하, 도 4 및 도 5를 참고하여 본 발명의 일 실시예에 따른 공통모드 노이즈필터(1)의 기능을 설명한다. 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 공통모드 노이즈필터가 적용된 회로도이다.

도 4를 참조하면, 공통모드 노이즈 전류가 Y 커패시터를 통과한 후 남아 있는 공통모드 고주파 노이즈 전류는 본 실시예에 따른 공통모드 노이즈필터(1)의 원통형커패시터(30) 커패시터전극(32)을 통해 섀시접지로 흘러간다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 공통모드 노이즈필터의 기능을 설명하기 위한 동작 개념도이다.

도 5를 참조하면, 고주파 및 저주파를 포함하는 전류가 제1 도선몸체(10)의 일단을 통해 유입된 경우(S52), 유입된 전류는 제1 도선몸체(10)를 고주파 전류는 표피효과(skin effect)로 인해 제1 도선몸체(10)의 표면을 통해 흐른다(S54). 제1 도선몸체(10)를 통과하는 고주파 전류의 침투깊이는 위에서 설명한 표피깊이(skin depth)에 대한 근사식인 수학식 1에 의해 산출될 수 있다.

제1 도선몸체(10)로 유입된 고주파 전류는 위에서 언급한 표피효과에 의해 제1 도선몸체(10)의 표면을 통해서 흐르고, 저주파 전류는 표피효과가 미미하여 제1 도선몸체(10) 및 제3 도선몸체(40)를 통해서 흐른다(S56).

제1 도선몸체(10)의 표면을 흐르는 고주파 전류는 원통형커패시터(30)와 연결된 섀시접지로 빠져나갈 수 있다. 제1 도선몸체(10) 및 제3 도선몸체(40)를 흐르는 저주파 전류는 원통형커패시터(30)를 우회해서 원통형커패시터(30)의 중공에 배치된 제3 도선몸체(40)의 중앙부(42)를 통해 흐른다.

이와 같이 본 실시예에 따른 공통모드 노이즈필터(1)는 표피효과를 이용한 제1 및 제2 도선몸체(10,20)와 제3 도선몸체(40)의 구조에 의해, 유입된 전류 중 고주파 전류와 저주파 전류를 분리하고, 분리된 고주파 전류는 섀시접지를 통해 감소시킴으로써 소형화 및 경량화를 구현할 수 있고, 제조 비용을 절감할 수 있다.

본 실시예에 대한 변형형태로서 제조 조건 및 요구되는 필터링 특징에 따라 원통형커패시터(30)의 개수 및 연결방법은 다양하게 구현될 수 있으며, 제1 및 제2 도선몸체(10,20)와 제3 도선몸체(40)의 규격도 다양하게 설계될 수 있다.

1: 공통모드 노이즈필터
10: 제1 도선몸체
20: 제2 도선몸체
30: 원통형커패시터
32: 커패시터전극
40: 제3 도선몸체
42: 중앙부
44: 좌측부
46: 우측부

Claims (10)

1. 공통모드 노이즈필터에 있어서,
   일단이 외부의 제1 전선과 연결되어 전류가 흐르는 제1 도선몸체;
   일단이 외부의 제2 전선과 연결되어 전류가 흐르는 제2 도선몸체;
   상기 제1 및 제2 도선몸체들 각각의 타단들 사이에 게재되어 상기 제1 및 제2 도선몸체들을 연결하고, 섀시접지에 연결되는 중공을 가진 원통형커패시터; 및
   중앙부는 상기 원통형커패시터의 중공에 삽입되어 배치되고, 좌측부는 상기 중앙부의 일단으로부터 상기 제1 도선몸체의 중심을 관통하여 상기 제1 전선의 방향으로 연장되어 형성되며, 우측부는 상기 중앙부의 타단으로부터 상기 제2 도선몸체의 중심을 관통하여 상기 제2 전선의 방향으로 연장되어 형성되는 제3 도선몸체를 포함하는 것을 특징으로 하는 공통모드 노이즈필터.
2. 제1항에 있어서,
   상기 원통형커패시터는, 상기 제1 및 제2 도선몸체들의 타단들과 접하는 부분들에 중공을 가진 커패시터전극들 각각을 포함하는 것을 특징으로 하는 공통모드 노이즈필터.
3. 제1항에 있어서,
   상기 원통형커패시터는 복수개 마련되어 직렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 공통모드 노이즈필터.
4. 제1항에 있어서,
   상기 제3 도선몸체의 좌측부는 상기 중앙부의 일단으로부터 상기 제1 전선의 방향으로 횡단면의 면적이 좁아지면서 연장되고, 상기 제3 도선몸체의 우측부는 상기 중앙부의 타단으로부터 상기 제2 전선의 방향으로 횡단면의 면적이 좁아지면서 연장되는 것을 특징으로 하는 공통모드 노이즈필터.
5. 제4항에 있어서,
   상기 제3 도선몸체의 일단부 및 타단부는 사다리꼴 원통모양인 것을 특징으로 하는 공통모드 노이즈필터.
6. 제1항에 있어서,
   상기 제1 및 제2 도선몸체의 각각과, 상기 제3 도선몸체는 서로 절연되는 것을 특징으로 하는 공통모드 노이즈필터.
7. 제1항에 있어서,
   상기 제1 및 제2 도선몸체의 저항율이 상기 제3 도선몸체의 저항율보다 작은 것을 특징으로 하는 공통모드 노이즈필터.
8. 제1항에 있어서,
   상기 제1 및 제2 도선몸체의 투자율이 상기 제3 도선몸체의 투자율보다 큰 것을 특징으로 하는 공통모드 노이즈필터.
9. 제1항에 있어서,
   상기 제1 및 제2 도선몸체의 단면직경과, 상기 제3 도선몸체의 단면직경과, 상기 원통형커패시터의 단면직경은 제조에 사용되는 소재의 물성에 따라 정해지는 것을 특징으로 하는 공통모드 노이즈필터.
10. 제9항에 있어서,
    사전에 정해진 지점에서 상기 제1 및 제2 도선몸체의 횡단면직경과 상기 제3 도선몸체의 횡단면직경의 차이에 대한 절대값이 표피깊이(skin depth)의 2배인 것을 특징으로 하는 공통모드 노이즈필터.

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