제품 개발에서 소형화와 대전력화 추세가 지속되면서 필연적으로 EMI·EMC 문제가 야기되고 있다. 이에 수동 EMI 필터의 한계를 극복하고자 능동 EMI 필터(AEF, Active EMI Filter)를 연구·개발해 시장에 진출하려는 움직임들이 포착되고 있다.

특히 배터리를 탑재한 전기차 보급이 확대되는 상황에서 전력 전자 시스템에 실리콘 카바이드(SiC)와 같은 와이드 밴드 갭(WBG) 화합물 반도체를 채택하는 경우가 많아졌다. 이에 스위칭 소자의 고속 동작에 따른 전도성 노이즈가 챌린지로 떠오른 상황이다.

■ 전도성 노이즈, CM 초크 한계
 
자동차 EMC 규격인 CISPR25에서는 주파수 대역에 따라 EMI 규격선이 정해져 있는데 5단계인 Class5가 가장 까다로운 것으로 알려져 있다.

이에 PCB 설계 단계에서 EMC를 저감하는 여러 옵션 가운데 EMI 필터를 배치해 전도성 노이즈를 잡는 것은 비교적 손쉬운 해법 중 하나가 될 수 있다. 전자파 규격선을 과도하게 초과하더라도 공통 모드 초크를 소위 말해 ‘때려박는다’면 어찌되었든 전자파 규격선을 만족할 수 있다는 것이다.

최근 e4ds news 아날로그 데이에서 김진국 UNIST 교수는 “EMI 수동 필터가 많이 필요해서 그렇지 필터를 계속 해서 넣을 경우 결국은 규격을 통과시킬 수는 있게 된다”며 “상용 판매를 위해서는 계통의 규격을 통과해야 하기에 필터를 장착해 규격을 통과 시켜 상용화를 하고 있다”라고 언급했다.

급부상한 전기차 및 전장품 시장뿐 아니라 산업용 에어컨, 에너지 저장 시스템(ESS), 산업용 로봇 등 산업기기에서도 대전력화에 따른 전도성 노이즈가 문제가 되고 있는 상황이다.

PCB 디자이너 및 EMC를 고려한 설계자는 전도성 노이즈를 잡기 위한 손쉬운 해결인 EMI 수동 필터말고도 효율적인 옵션을 하나 더 손에 쥘 필요성이 있다.

이는 수동형 EMI 필터가 크고 무거우며 발열이 많고 비싸다는 4가지 단점이 거론되기 때문이다. 김 교수는 “수동 EMI 필터에 들어가는 CM 초크는 고전류, 대전력 시스템에서 전력선이 굵고 전류가 커서 CM 초크 크기가 매우 커지고 발열 문제 또한 심각하다”고 말했다.
 
또한 자기포화 현상으로 노이즈 저감력이 저하되며 이를 상쇄하기 위해서는 결국 다단 필터 채택이나 고가의 코어 재료를 사용해야 하므로 필연적인 비용 비효율이 발생하게 되는 것이다.
 
■ 능동 EMI 필터, TI·이엠코어텍 제품 출시

능동 EMI 필터는 현재 텍사스 인스트루먼트(TI)에서 비교적 최근인 지난 4월 출시해 단일 및 3상 상업용 애플리케이션을 위한 TPSF12C1 및 TPSF12C3과 차량용 애플리케이션을 위한 TPSF12C1-Q1 및 TPSF12C3-Q1을 선보였다. 100kHz~3MHz의 주파수와 단상 및 3상 AC 전력 시스템에서 공통 모드 EMI를 최대 30dB까지 감지하고 취소할 수 있는 것으로 알려졌다.

국내에서는 능동 EMI 필터를 연구·개발해 한 발 앞서 출시한 사례가 있다. 김진국 교수가 공동대표로 있는 이엠코어텍 주식회사가 2021년경 앞서 개별소자(Discrete)를 선보였으며, 2022년 2월 경 제품을 세계 최초로 출시했다.
 
이를 EMI 반도체라고 하며 EMIC로 불리고 있다. 전도성 노이즈 상쇄뿐 아니라 모니터링 기능까지 있으며, 이엠코어텍은 최근 산업부에서 진행하는 스타팹리스에 선정돼 그 잠재력을 인정받고 있다.
 
■ 넘어야 할 산, 신뢰성 문제
 
능동 EMI 필터가 극복해야 할 문제는 고전압 시스템 적용에서의 신뢰성 확보이다. AEF 소자는 특히 서지(Surge) 등 외부 과전압에 대한 내구성과 안정성이 취약하다.
 
전력 시스템에 연결돼 동작할 때 서지가 발생해 회로에 유입될 수 있다. 김진국 교수는 이때 AEF 소자는 전력선 입구에 배치되므로 서지에 개별소자가 영향을 받게 된다고 말한다. 김 교수는 AEF 소자가 서지 테스트를 견뎌내지 못하는 내구성에 업계 관계자들이 신뢰성을 이유로 제품 탑재를 꺼린다고도 언급했다.
 
현재 능동 EMI 필터는 서지, 과전압 등에 내구성 취약과 더불어 보상신호 생성 주입 과정에서 발생할 수 있는 노이즈 증폭과 발진문제를 해결할 수 있는 세밀함에 대한 챌린지가 존재한다. 이에 시장에 출시된 비절연형 제품으로는 실제 제품 적용에 한계가 명확할 것으로 예측된다.
 
이엠코어텍은 이러한 시행착오를 모두 경험하면서 절연 신뢰성을 확보한 능동 EMI 필터 반도체를 시장에 내놓았다. 제품 출시로부터 1년이 지난 현재 시장 선점을 위한 단계적 과정을 밟아나가고 있는 것으로 보인다.
 
이엠코어텍의 공동대표인 김진국 교수는 “국내 기술로 능동 EMI 필터 반도체 신시장에 첫 깃발을 꽂는다는 사명감을 갖고 개발에 임하고 있다”며 “이 기술을 이용해 향후 저전력 제품용 솔루션 및 전자파 노이즈 센싱 솔루션, IC 기반 오실로스코프 등의 제품개발 계획을 구상하고 있다”고 덧붙였다.