DC/DC 컨버터는 임의의 직류전원을 부하가 요구하는 형태의 직류전원으로 변환시키는 효율이 높은 전력변환기이다. DC/DC 컨버터는 PWM-IC(펄스폭 변조 집적회로) 제어기, MOSFET(산화물-반도체 전계 효과 트랜지스터), 인덕터, 콘덴서 등으로 구성되어있다. 코발트 60 ($^{60}Co$) 저준위 감마발생기를 이용한 TID실험에서 방사선의 영향으로 PWM-IC의 전기적 특성중에 문턱전압과 옵셋전압이 증가되고, SEL에 적용된 4종류의 중이온 입자는 PWM-IC의 파형을 불안정하게 만든다. 또한, 입/출력관계의 파형을 SPICE시뮬레이션 프로그램으로 관찰하였다. PWM-IC의 TID 실험은 30 Krad 까지 수행하였으며, SEL 실험을 제어보드를 구현한 후 LET($MeV/mg/cm^2$)별 cross section($cm^2$)으로 연구하였다.
DC/DC 컨버터는 임의의 직류전원을 부하가 요구하는 형태의 직류전원으로 변환시키는 효율이 높은 전력변환기이다. DC/DC 컨버터는 PWM-IC(펄스폭 변조 집적회로) 제어기, MOSFET(산화물-반도체 전계 효과 트랜지스터), 인덕터, 콘덴서 등으로 구성되어있다. 코발트 60 ($^{60}Co$) 저준위 감마발생기를 이용한 TID실험에서 방사선의 영향으로 PWM-IC의 전기적 특성중에 문턱전압과 옵셋전압이 증가되고, SEL에 적용된 4종류의 중이온 입자는 PWM-IC의 파형을 불안정하게 만든다. 또한, 입/출력관계의 파형을 SPICE 시뮬레이션 프로그램으로 관찰하였다. PWM-IC의 TID 실험은 30 Krad 까지 수행하였으며, SEL 실험을 제어보드를 구현한 후 LET($MeV/mg/cm^2$)별 cross section($cm^2$)으로 연구하였다.
DC/DC switching power converters are commonly used to generate a regulated DC output voltage with high efficiency. The DC/DC converter is composed of a PWM-IC (pulse width modulation-integrated circuit) controller, a MOSFET (metal-oxide semiconductor field effect transistor), inductor, capacitor, et...
DC/DC switching power converters are commonly used to generate a regulated DC output voltage with high efficiency. The DC/DC converter is composed of a PWM-IC (pulse width modulation-integrated circuit) controller, a MOSFET (metal-oxide semiconductor field effect transistor), inductor, capacitor, etc. It is shown that the variation of threshold voltage and the offset voltage in the electrical characteristics of PWM-IC increase by radiation effects in TID (Total Ionizing Dose) testing at the low energy ${\gamma}$ rays using $^{60}Co$, and 4 heavy ions applied for SEL (Single Event Latch-up) make the PWM pulse unstable. Also, the output waveform for the given input in the DC/DC converter is observed by the simulation program with integrated circuit emphasis (SPICE). TID testing on PWM-IC is accomplished up to the total dose of 30 krad, and the cross section($cm^2$) versus LET($MeV/mg/cm^2$) in the PWM operation is studied at SEL testing after implementation of the controller board.
DC/DC switching power converters are commonly used to generate a regulated DC output voltage with high efficiency. The DC/DC converter is composed of a PWM-IC (pulse width modulation-integrated circuit) controller, a MOSFET (metal-oxide semiconductor field effect transistor), inductor, capacitor, etc. It is shown that the variation of threshold voltage and the offset voltage in the electrical characteristics of PWM-IC increase by radiation effects in TID (Total Ionizing Dose) testing at the low energy ${\gamma}$ rays using $^{60}Co$, and 4 heavy ions applied for SEL (Single Event Latch-up) make the PWM pulse unstable. Also, the output waveform for the given input in the DC/DC converter is observed by the simulation program with integrated circuit emphasis (SPICE). TID testing on PWM-IC is accomplished up to the total dose of 30 krad, and the cross section($cm^2$) versus LET($MeV/mg/cm^2$) in the PWM operation is studied at SEL testing after implementation of the controller board.
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제안 방법
수동소자, diode와 bipolar의 구조를 가진 전자소자는 일반적으로 TID 시험을 수행하고 회로설계에서 CMOS와 Bi-CMOS(bipolar와 CMOS 구조를 공유)구조를 가지는 PWM-IC, OP-Amp., 그리고 DRAM 등 메모리소자는 TID 실험과 SEE 실험을 수행한다.
0 V인 IR(International Rectifier)사의 MOSFET이다. DC/DC 컨버터의 핵심부품인 PWM[1,2] 동작 상태를 검증하기 위해 Fig. 2와 같이 UC 2846[3] 의 PWM-IC 회로도를 설계하였다.
설계에서 Bi-CMOS 구조를 가지는 PWM-IC에 대하여 코발트 60(60Co) 감마발생기를 활용하여 30 krad 조사량까지 TID 실험을 수행하였으며, PWM-IC의 SEL 평가를 중이온가속기의 에너지 15 MeV/u에서 중이온 4종(Kr, Xe, Ho, Au)을 이용하여 bare chip으로 LET(MeV/mg/cm2) 별cross section(cm2) 실험을 성공적으로 수행하였다. 향후, 본 연구결과를 바탕으로 차세대 위성체의 부품국산화 추진에서 내방사선 특성 및 평가기술로 활용될 수 있고 우주용 전자부품 영향평가 기술개발의 기반을 마련하였다고 본다.
조사량은 2.5, 5, 7.5, 10, 20, 그리고 30 Krad까지 6등급으로 구분하고 조사율은 5 rad/sec로 조사한다. 총 조사선량은 선량율(조사율), 거리, 그리고 시간에 따라 결정되는데, 예를 들어 2.
대상 데이터
PWM-IC의 SEL 실험을 위해 NASA 등 산업체가 많이 이용하고 세계적으로 가장 권위있는 미국 Texas A&M University Cyclotron Facility의 중이온가속기에서 에너지가 15 MeV/u인 중이온 4종(Kr, Xe, Ho, Au)을 bare chip 상태의 시료에 조사하였다.
TID 시험절차는 Fig. 5의 Mil-Std-883 Method 1019를 따르는데 한국항공우주연구원이 개발한 다목적실용위성2호(KOMPSAT-2)에서 적용되는 K2-RAD-IGG-0001와 같으며 측정 장비로는 반도체 소자의 측정 장비인 HP Semiconductor Parameter Analyzer과 Digital Multimeter를 사용하였다. 조사시설로는 한국원자력연구원 정읍 방사선연구소의 저준위 방사선 조사실의 코발트 60 (60Co) γ 발생기를 이용한다.
성능/효과
다목적실용위성 3호의 DC/DC 강압컨버터는 태양전지판에서 60 V의 입력을 받아 5.35 V 출력을 요구하는데 Fig. 1의 블록도를 이용하여 SPICE[4]로 시뮬레이션을 수행한 결과 Fig. 3과 같이 인덕터 전류, PWM 출력파형, 입력전압 및 출력전압을 보여주며, 인덕터 전류는 MOSFET가 턴-오프될 때 시정수 0.24로 감소됨을 알 수 있고, 인덕터의 전류와 전압특성을 만족함을 보여주고 있다.
후속연구
) 실험을 성공적으로 수행하였다. 향후, 본 연구결과를 바탕으로 차세대 위성체의 부품국산화 추진에서 내방사선 특성 및 평가기술로 활용될 수 있고 우주용 전자부품 영향평가 기술개발의 기반을 마련하였다고 본다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
DC/DC 컨버터란?
DC/DC 컨버터는 임의의 직류전원을 부하가 요구하는 형태의 직류전원으로 변환시키는 효율이 높은 전력변환기이다. DC/DC 컨버터는 PWM-IC(펄스폭 변조 집적회로) 제어기, MOSFET(산화물-반도체 전계 효과 트랜지스터), 인덕터, 콘덴서 등으로 구성되어있다.
대체적으로 부하에서 필요로 하는 전원은 일정한 직류전원이므로 출력전원에 포함된 불필요한 교류성분을 제거해 주어야하는데 이를 위해 필요한 회로는 무엇인가?
출력전압은 평균전압이 DVi인 직류성분 외에 구형파의 교류성분이 가미되어 있으나, 대체적으로 부하에서 필요로 하는 전원은 일정한 직류전원이므로 출력전원에 포함된 불필요한 교류성분을 제거해 주어야 한다. 이를 위해 출력의 직류성분은 통과시키고, 교류성분은 차단하는 저역필터(low pass filter)회로가 필요하다. 강압컨버터에서 인덕터 L과 커패시터 C가 이상적으로 매우 크면 정상상태에서 인덕터 L에는 일정한 전류가 흐르고 커패시터 C양단에는 일정한 전압이 걸린다.
DC/DC 컨버터는 어떻게 구성되는가?
DC/DC 컨버터는 임의의 직류전원을 부하가 요구하는 형태의 직류전원으로 변환시키는 효율이 높은 전력변환기이다. DC/DC 컨버터는 PWM-IC(펄스폭 변조 집적회로) 제어기, MOSFET(산화물-반도체 전계 효과 트랜지스터), 인덕터, 콘덴서 등으로 구성되어있다. 코발트 60 ($^{60}Co$) 저준위 감마발생기를 이용한 TID실험에서 방사선의 영향으로 PWM-IC의 전기적 특성중에 문턱전압과 옵셋전압이 증가되고, SEL에 적용된 4종류의 중이온 입자는 PWM-IC의 파형을 불안정하게 만든다.
참고문헌 (9)
P. C. Adell et Al, "Total-Dose and Single-Event Effects in DC/DC Converter Control Circuitry," IEEE Transactions Nuclear Science, Vol. 50, No. 6, December, 2003
Y. H. Lho, "A Study on the Design of Voltage Mode PWM DC/DC Power Converter," Journal of the Korean Society for Railway, 14(5), October, 2011
Datasheet of UC 1846, 2846, Texas Instruments, 2002
Cadence Design Systems, "SPICE reference Guide," San Jose, CA, Cadence Design Systems, Inc., 2004
E. C. Roh, K. B. Jung, N. S. Choi, "Power Electronics," Moon Woon Dang, pp. 190-218, 1997 (in Korean)
S. H. Lee, J. Y. Jung, "Power Electronics Engineering," Seoul, Hyung Seol Publications Inc. pp. 147-153, 2006
Y. H. Lho, "Implementation of DC/DC Power Buck Converter Controlled by Stabel PWM," Journal of Institute of Control, Robotics and Systems (2012) 18(4) pp. 371-374
N. W. Van Vonno, L. G. Pearce, GM Wood et. al, "Total Dose and Single Event Testing of a Hardened Single-Ended Current Mode PWM Controller," NSREC, July, 2010
A Technical Report, "Development of Evaluation Technology of SEL Effects on Electronic Component for SPACE," National Research Foundation of Korea (2011) (in Korean)
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