DC-DC 모듈로 구동되는 무인 항공기 전원 솔루션

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글/Alan Lau, Field Applications Engineer(FAE), 바이코

개요

무인 항공기(Unmanned Aerial Vehicle: UAV)가 여러 응용분야에 걸쳐 인기를 끌며 속속 등장하고 있다. 이에 따라 무인 항공기 설계에는 크기 및 중량 뿐 아니라 전원밀도, 중량대비 전력비율, 효율성, 열관리, 유연성과 복합성 등에 대해 세심한 검토가 필요하게 되었다.

소형의 가벼운 중량을 가진 고성능밀도(SWaP)은 무인 항공기가 보다 많은 적재량을 가지면서도 멀리 날으며 더 많은 역할을 수행하게 한다.

고효율성은 무인 항공기가 날고 있는 동안에 지탱할 수 있는 시간을 최대한으로 가능하게 해주는 에너지를 가장 효과적으로 사용하게 해준다. 그 뿐 아니라 열 전달 시 손실되는 전력을 최소화하기 위한 열관리 방법을 손쉽게 해주기도 한다.

SWaP의 높은 유연성과 복잡하지 않은 구성은 전원 시스템 설계를 보다 용이하게 해주므로 무인 항공기 설계자들이 전력시스템 설계에 많은 시간을 쓰는 것보다 다른 부분에 더 집중하도록 해준다. 이로 인해 설계시간이 절약될 뿐 아니라 시스템 구성자체도 덜 복잡해지는 효과를 기대할 수 있다.

바이코의 모듈 전원시스템은 이러한 장점들을 구현하기 위해 고성능 무인 항공기 애플리케이션에 고신뢰도, 고밀도의 전원 분배 아키텍처를 특징으로 하는 종합적인 전원솔루션 포트폴리오를 제공한다.

무인 항공기용 전원 연결 구성

무인 항공기 전원 연결도의 전형적인 구성을 보면 정류기에 의해 270V DC로 변환되어야 하는 3단계 AC소스를 제공하는 터빈 발전기가 있는데 이AC 소스는 나중에 절연형 DC-DC 컨버터에 의해 48V DC 또는 28V DC로 변환되는 흐름을 가진다.

무인 항공기에서는 3.3V, 5V, 12V 처럼 다양한 출력 전압을 필요로하는 많은 적재량이 존재한다. 따라서 다운스트림 DC-DC 컨버터 또는 niPoL( 비절연 로드 지점)은 28V 또는 48VDC 버스를 원하는 전압 값으로 변환해야 한다.

이러한 고효율을 위해 고전압 DC 버스(270V, 48V or 28V)가 무인 항공기의 전원 연결 구성도를 따라 전원을 분배하도록 선호된다. 전원 분배로 인한 전력손실은 I2R(R 와이어저항)에 기반을 두고 있으므로 높은 전압으로 인한 낮은 전류는 전원 손실 분배를 최소화할 수 있다. 특별히 대용량 크기의 무인 항공기의 경우, 매우 긴 전원분배 구성이 필수이다.

안전 측면에 있어서 고전압 DC 버스(270V)와 저전압 DC 버스 사이에는 절연이 필요하다. 이를 SELV (저전압 추가 안전; Safety Extra-Low Voltage)라고 하는데 이는 전압이 고전압에서 60V이하로 절연될 때 발생하는 현상이다.

그림 1에서 설명된 전원 연결 구성을 보면 첫 번째 변환 단계는 절연된 DC-DC 컨버터가 위험한 고전압을 SELV로 전달하도록 구성되어야 하는데 이는 비절연 DC-DC라 부하를 전달하는 것으로 연결된다. 이러한 고효율과 저비용의 전원솔루션은 절연과 제어를 DCDC 변환의 각각의 단계에서 반복하지 않도록 해준다.

270V에서 28V를 카바하는 GaAs 송신기

GaAS의 송신기 적재량은 수백와트의 전원을 요구한다. 이러한 전원요구량을 만족시키기 위해 BCM과 PRM을 병렬로 전원을 연결해 출력전압이 발생해야 한다. BCM과 PRM은 모두 고전압 밀도의 컨버터로서 매우 가볍고 작은 VI 칩 패키지에 풀칩이나 하프칩 형태로 실장된다.

BCM은 고전압 입력을 고정된 비율의 K 팩터값을 이용해 SELV 출력으로 전달하는 절연형, 비제어용 DCDC 컨버터이다. MBCM270x450M270A00 제품의 경우 K 팩터가 1/6 값을 가지는데 이로 인해 출력전압은 항상 입력전압의 1/6 값을 제공하게 된다. 즉, 입력전압이 270V인 경우 출력값은 45V이다.

PRM은 무인 항공기의 적재량에 제어된 전압을 제공하는 제어용, 절연형 DC-DC 컨버터이다. PRM 출력 전압은 낮게 조정이 가능한데 GaAs 송신기의 경우 28V까지 낮출 수 있다.

BCM은 절연용, 비제어용 DC-DC 컨버터이다. PRM은 제어용, 비절연용 DC-DC 컨버터이다. 이미 위에서 설명한 바와 같이 보다 높은 효율성을 구현하려면 제어 및 절연 기능이 전원 연결 구성 시 DC-DC 변환의 각 단계나 개별 DC-DC 컨버터들에 의해 반복되어서는 안된다. 따라서 BCM 과 PRM 모듈을 사용하면 270VDC 를 28VDC까지 약93.12%의변환을달성하는높은효율성을얻게된다...(중략)

기사입력 : 2016-09-20