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바이코의 초고전압 BCM으로 전원이 공급되는 고정 위치에서 호버링이 가능한 드론 개발

고정익 드론은 고속으로 영공을 횡단할 수 있는 기능을 제공하지만, 지속적인 공중 감시 및 통신 애플리케이션 분야에 특히 중요한 고정 공중 비행이 필요한 애플리케이션에는 적합하지 않다. 유선 무인 비행선에 대한 초기 실험에서는 바람이 강하게 부는 조건에서는 고정 상태를 유지하는 것이 불가능하다는 근본적인 문제가 노출되었다. 새로운 접근방식이 필요했던 드래곤플라이 픽처스(Dragonfly Pictures Inc., 이하 DPI)는 고정 위치에서 호버링(Hover-in-Place)이 가능한 새로운 차원의 유선 드론을 개발했다. 

20분마다 배터리를 교체해야 하는 배터리 구동식 멀티 로터 드론과 달리 유선 드론은 기지와 연결된 전기 코드를 통해 전력을 공급받는다. 이를 통해 몇 시간, 심지어 며칠 동안 공중에 머무를 수 있다. DPI의 유선 멀티 로터 드론은 선박이나 보트, 트럭, 무인 수상 및 지상 차량 등의 모바일 호스트 플랫폼을 추적하여 기동할 수 있도록 설계되었다. 

이 드론은 수직 이착륙 기능을 비롯해 고정익 드론에 비해 여러 이점을 제공한다. 먼저, 활주로나 발사기, 또는 회수장치가 필요하지 않다. 또한 비행선과 달리 격변하는 날씨와 빠르게 변하는 풍속에서도 지속적으로 고정된 위치를 확보할 수 있다. 실제 운영조건 하에서 광범위한 테스트를 통과한 이 유선 드론은 현재 미 해군이 정보, 감시, 정찰(ISR), 통신 및 비디오 애플리케이션을 위해 해양 및 해상 환경에 사용할 수 있는 인증을 획득했다. 

가장 까다로운 설계 과제 해결

DPI의 군용 및 산업용 등급의 UMAR(Unmanned Multirotor Aerial Relay) 유선 드론은 비와 눈, 먼지, 열에 대한 내후성을 갖추고 있으며, 특히 해수 해양 환경에 최적화되어 있다. UMAR 드론은 유선을 통한 지속적인 전력공급을 하기 때문에, 최대 500피트의 고도에서 최대 400시간 이상 무중단 가동 및 운용이 가능하다는 점에서 특히 유용하다. 그러나 이러한 유선 아키텍처는 본질적으로 상당한 설계 상의 과제를 안고 있다. 가장 얇고 가벼운 유선을 사용하여 드론의 이동성과 비행 탑재량을 높이기 위해서는 호스트 선박에서 멀티 로터 드론까지 매우 높은 전압과 낮은 전류로 전원을 공급할 수 있어야만 한다.

8kW ~ 10kW 전력 레벨에서 동작하는 이 UMAR 드론은 매우 강력하고 견고하기 때문에 극심한 해상 폭풍 하에서도 지속적으로 고정 위치를 유지할 수 있다. 그러나 호스트 선박의 위치에 영향을 미치는 극심한 난류와 파도로 인해 문제가 가중될 수 있다. 따라서 드론은 즉각적인 응답시간으로 고도를 유지할 수 있도록 짧은 버스트 또는 긴 버스트를 통해 리프트 및 요(Yaw) 각도로 로터 속도를 가속화할 수 있는 전력 용량과 민첩성이 필요하다.

멀티 로터 드론 내에서는 가능한 최소한의 점유면적과 경량의 프로파일을 통해 고전압 변환을 달성해야 한다. UMAR에 탑재된 8개의 독립 로터는 상호 연결된 정교한 PCB 회로를 필요로 하기 때문에 전력 부품 레이어에서 최대한 공간을 절감하면, 다른 부가가치 부품들을 더 많이 적용할 수 있다.

DPI의 운영 담당 부사장인 조 파웰치크(Joe Pawelczyk)는 “바이코의 전력 모듈을 사용하여 드론에 탑재되는 모든 부품의 무게를 줄임으로써 고도와 대기속도를 높이는 동시에, 필요한 하중을 탑재할 수 있게 되었다. 바이코는 다른 업체에 비해 독보적인 전력밀도를 제공하기 때문에 바이코의 부품을 통해 최고 수준의 기동성 및 성능, 호버링 제어를 달성할 수 있었다. 이를 통해 DPI의 유선 드론은 더 많은 하중을 탑재하면서도, 더 높이, 더 빨리 비행할 수 있다.”고 밝혔다. 

UMAR 드론을 공중 RF 안테나로 배치하면, 선박의 무선 시야를 8마일에서 최대 30마일까지 확장할 수 있다. 

전력밀도에 최적화된 전력 아키텍처

이러한 까다로운 전력문제를 해결하기 위해 DPI는 UMAR 내에 바이코의 초고전압(UHV: Ultra-High-Voltage) BCM® VIA™ 로우-프로파일 모듈을 적용하여 800V에서 50V까지 단 2%의 손실만으로 고효율 변환(98%)을 달성했다. UHV BCM의 소형 풋프린트와 장착 용이성은 뛰어난 전력밀도와 경량의 온보드 시스템을 달성하는데 특히 유용했다. 

DPI UMAR의 8개의 독립 로터에 전원을 공급하기 위해 8개의 바이코 UHV BCM4414 모듈이 병렬로 배열되었으며, 리던던시를 향상시키기 위해 로터 간에 전력을 공유할 수 있도록 했다. 바이코의 UHV BCM 내부의 통합 EMI 필터링과 고주파수 고조파가 거의 없는 본질적으로 낮은 EMI 특성이 결합되어 EMI 노이즈를 최소화하는 것은 물론, 기존 DC-DC 컨버터에 비해 크기와 무게를 줄일 수 있었다. 필터링이 이뤄지지 않으면, 노이즈로 인해 드론과 호스트 선박 간의 RF 통신이 손상되거나 EMI 표준을 충족시키지 못할 수 있다. 

DPI 기술은 현재 미 해군의 시험 배치 외에도, 여러 정부기관 및 계약업체와 기타 기관들이 평가 작업을 진행하고 있으며, 재난구조 1차 대응수단 및 대규모 지역 모니터링(공공행사, 경기장 보안 등)과 같은 다른 애플리케이션에서도 상당한 가능성을 보여주고 있다. 

Vicor Corporation 소개
바이코는 미국 메사추세츠주 앤도버의 자동화 제조 공장에서 40년 이상 동급 최고의 고밀도 전력 모듈을 만들어 왔다. 바이코의 앤도버 공장은 전력 모듈의 성능과 확장성의 새로운 지평을 열도록 설계한 최초의 수직 통합 ChiP™ 팹을 제조할 수 있도록 최근 확장을 마쳤다. 바이코는 고성능 전력 모듈 분야의 리더로, 소스에서 POL(point-of-load)까지 최고의 밀도와 효율성을 제공하는 모듈식 전력 시스템 솔루션으로 고객 혁신을 가능하게 한다. 바이코는 기업용 및 고성능 컴퓨팅, 산업 장비 및 자동화, 로보틱스, UAV, 전기자동차 및 운송, 항공 우주 및 방위 분야 등의 고객에게 서비스를 제공한다. 바이코의 다양한 솔루션은 (www.vicorpower.com)에서 확인할 수 있다.