전기자동차 모터 구동 시스템의 전도 방출 해석을 위한 고주파 회로 모델링 :High-Frequency Circuit Modeling for the Analysis of Conducted Emission from the Motor Drive System of an Electric Vehicle

정기범

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자료유형: 학위논문

저자정보: 정기범 (한양대학교, 한양대학교 대학원)

지도교수: 최재훈

발행연도: 2013

저작권: 한양대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

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이 논문의 연구 히스토리 (3)

2013

전기자동차 LDC 시스템의 전도 방출에 관한 고주파 모델링 연구

정기범 , 조병찬 , 정연춘 한국전자파학회논문지 2013.08 학술저널

전기자동차 모터 구동 시스템의 전도 방출 해석을 위한 고주파 회로 모델링

정기범 전자통신전파공학 2013.01 학위논문

전기자동차 모터 구동 시스템의 전도 방출에 관한 고주파 모델링 연구

정기범 , 이종경 , 정연춘 외 1명 한국전자파학회논문지 2013.01 학술저널

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본 논문에서는 새로운 고주파 회로 모델링을 이용하여 HEV/EV(Hybrid Electric / Electric Vehicles)의 모터 구동 시스템(MDS: Motor Drive System)에 관한 전도성 EMI(Electromagnetic Interference) 노이즈 회로 모델링 방법과 차량 전체의 System-Level EMC 분석에 관한 고주파 회로 모델링 기법을 제안하였다. PWM(Pulse Width Modulation) 모터 구동시스템의 전도성 공통모드 전류는 HEV/EV 시스템에서 RFI(Radio-Frequency Interference) 문제를 증가시킨다. 왜냐하면 접지 시스템의 경로를 공통으로 공유하고 순환된 전류 경로를 가지고 있으며, 차량 내는 근방계 조건으로 복잡한 커플링 구조를 가지고 있기 때문이다. 동시에 이러한 접지 시스템의 순환 구조는 HEV/EV 시스템의 다른 12 V 전장품들에게도 전도성 간섭을 초래하고, 이러한 형태의 노이즈 전류는 전류귀환 경로를 통해 RFI 문제를 제공하는 원인이 될 수 있다. 전도성 공통모드 전도 방출 문제를 예측하기 위하여 모터 구동 시스템의 각 부분별 고주파 등가 모델을 시스템 차원에서 각각의 소스 원과 커플링 경로를 분석하였으며, 커플링 경로의 기생성분과 수동소자의 비선형 특성 등을 포함하도록 하였다. 제안된 고주파 회로 모델은 IGBT와 전기적인 수동소자, 고전압 케이블, 버스-바 구조, LISN(Line Impedance Stability Network), 인버터, 모터의 고주파 모델을 포함하고 있다. 기존에는 시스템을 구성하는 각각의 전장품에 대한 단편적인 회로 모델링과 주파수 대역을 150 kHz ~ 30 MHz 대역만 고려했지만, 새롭게 제안된 고주파 회로 모델링은 자동차 단품 규격인 CISPR25의 전도 방출 시험대역 150 kHz ~ 108 MHz까지 측정과 시뮬레이션 결과의 비교를 통하여 회로 모델의 검증을 실시하였다. 비교적 큰 해석구조임에도 불구하고 두 결과가 잘 일치함을 확인하였다. 이러한 시스템적인 해석 방법을 사용하면 MDS의 동작에 의한 전도성 전자파 노이즈의 결합 메커니즘에 대해 체계적으로 이해하고, 나아가서 설계 초기단계에서부터 EMC에 민감한 설계 파라미터들을 점검 및 분석할 수 있을 것으로 기대한다. 향후 본 논문에 이어서 LISN의 고주파 모델 정확성 향상과 고전압 배터리인 리튬-이온 배터리의 모델링을 추가로 진행하여 보다 완벽한 MDS 시스템의 통합 회로 모델링을 개발하도록 할 것이다.

This dissertation presents an analysis of the system-level Electromagnetic Compatibility (EMC) of an entire vehicle and a conductive electromagnetic interference (EMI) noise circuit modeling method with respect to the motor drive system (MDS) of hybrid electric and electric vehicles (HEV/EV). The conductive common mode EMI of a Pulse Width Modulation (PWM) motor drive system aggravates the problem of radio-frequency interference (RFI) in the HEV/EV system. The reason for this is that it shares the path of the grounding system and has a circulated current path as well as a complicated coupling structure in the vehicle because of the neighborhood system constraint. At the same time, the circulation structure of these grounding systems can cause conductive interference to other 12-V electric and electronic devices in the HEV/EV system, and this type of noise current may cause the RFI problem through the current return path or “negative.” In order to predict the conductive common mode EMI problem, an in-depth study on noise sources and the coupling path is conducted by systematically investigating the high-frequency equivalent circuit model of each section in the motor drive system. Further, the parasitic components of the coupling path and the non-linear characteristics of the passive components are taken into account. The proposed high-frequency circuit model includes Insulated-Gate Bipolar Transistor (IGBT) and electrical passive components, high-voltage cables, bus bar structures, Line Impedance Stability Network (LISN), inverters, and high-frequency motor models. The existing studies have considered specific circuit modeling for certain electric and electronic devices only or the frequency band between 150 kHz and 30 MHz. In this study, we use the proposed high-frequency circuit model to conduct a conduction band emission test of CISPR25, which is a component testing standard, up to a range of 150 kHz to 108 MHz, and evaluate the circuit model by comparing the test results with the simulation results. Despite the relatively large analysis structure, we verify that the two results match each other. Using this systematic analysis method, we can systematically understand the coupling mechanism of conductive electromagnetic noise due to the MDS operation. Furthermore, using our method, we can inspect and analyze design parameters that are sensitive to EMC from the initial design stage. In the future, we will attempt to improve the accuracy of the high-frequency model and develop a model for high-voltage lithium-ion batteries in order to develop an integrated circuit model for a comprehensive MDS system.

#전자통신학

국 문 요 약 VI
ABSTRACT XII
감사의 글 XIV
목 차 XVII
그림목차 XIX
표 목차 XXIII
약어 및 약어 해설 XXIV
제 1 장 서 론 １
1.1 전기자동차의 EMC 문제 １
1.2 자동차 EMC 규격 및 향후 방향 ４
1.3 구성 １０
제 2 장 모터 구동 시스템의 전도성 EMI 분석 １２
2.1 RFI 노이즈 결합경로 분석 １２
2.2 모터 구동 시스템의 특성 분석 １７
제 3 장 모터 구동 시스템의 고주파 등가 회로 모델 ２２
3.1 전력변환 장치의 설계 고려 사항 ２３
3.2 MDS의 기본 회로 및 구성 원리 ２４
3.3 MDS의 중요 기생성분의 고주파 모델링 ２７
3.3.1 고전압 커패시터 모델링 ２７
3.3.2 IGBT 및 방열판 모델링 ２８
3.3.3 차폐 케이블 모델링 ３０
3.3.4 모터 모델링 ３３
3.3.5 LISN 모델링 ３５
3.4 MDS의 시스템 레벨 고주파 회로 모델링 ３７
3.4.1 고전압 DC 케이블 및 3상 출력케이블 ３９
3.4.2 IGBT와 방열판 ４３
3.4.3 구동 모터 기생성분의 영향도 ４４
제 4 장 MDS 등가회로 모델의 검증 ４７
4.1 MDS의 전도방출 측정 ４７
4.2 측정결과와 시뮬레이션 결과의 비교 ４９
제 5 장 결 론 ５５
부록 A. 차량 케이블 및 모터에 대한 RFI 특성 분석 ５７
A. 1 차량 케이블에 의한 RFI 특성 분석 ５７
A. 2 모터에 의한 RFI 특성 분석 ６１
부록 B. LDC와 RFI 상관관계 분석 ６５
B.1 LDC 전도성 EMI 모델링 ６６
BIBLIOGRAPHY ７１

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