[논문]유도무기 및 항공기 탑재장비용 30W급 군사용 DC-DC 변환장치 개발

박상민; 주동명; 채수용; 김형중; 이병국

doi:10.5370/kiee.2017.66.9.1341

유도무기 및 항공기 탑재장비용 30W급 군사용 DC-DC 변환장치 개발
Design and Development of 30W Military Grade DC-DC Converter for Guided Weapon and Aircraft 원문보기

전기학회논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, v.66 no.9, 2017년, pp.1341 - 1350

박상민 (Dept. of Electrical and Computer Engineering, Sungkyunkwan University) , 주동명 (Dept. of Electrical and Computer Engineering, Sungkyunkwan University) , 채수용 (PNE SOLUTION Co., Ltd, Charger) , 김형중 (PNE SOLUTION Co., Ltd, Charger) , 이병국 (Dept. of Electrical and Computer Engineering, Sungkyunkwan University)

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, a high reliability 30W DC-DC converter is designed considering military standard (MIL-STD) for military applications such as guided weapon and aircraft. The performances and specifications of conventional military grade DC-DC converter are practically analyzed. The requirements for military grade DC-DC converter are established in consideration of MIL-STD and analysis results of conventional product. Two isolated DC-DC converter, forward and fly-back converter, are designed and compared to determine topology. From experimental results under various operating conditions, the forward topology satisfied performances and specifications of MIL-STD for military DC-DC converter.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서 군사용 DC-DC 컨버터로 설계한 포워드 컨버터 2차 Prototype은 1차 Prototype과 마찬가지로 MIL-STD-883B 규격에 해당하는 온도 사이클 시험에서 포워드 컨버터는 기준치 (-55℃~125℃)를 만족하지 못하고 챔버온도 105 ℃를 넘길 시 PCB상 SMD타입 저항소자들이 온도가 상승하여 출력전압이 상승 하는 문제가 발생했다. 따라서, 기존 PCB 보드를 세라믹 등의 온도에 강인한 기판으로 대체하고 저항을 레이저 프린팅하여 기판과 부품의 일체화하는 기술 등을 고려하고, 그림 9와 같이 직접 기판에 반도체를 와이어로 실장 패키징 작업 등을 구현하여 DC-DC 컨버터 소형화 작업 진행 및 과열 문제점 개선이 필요하다.
본 논문에서는 기 적용중인 항공/군사용 전원장치 (ATR2805S) 제품을 벤치마킹하여 선진제품에 대한 분석을 통해 현재 생산되고 있는 외산 제품의 성능 및 특성을 파악하고 항공기(MILSTD-704) 규격 및 군사용 전원장치(MIL-STD-1275) 규격 분석을 수행한다. 이를 통해 기존 DC-DC 컨버터를 군사용으로 사용 하기 위한 요구사양을 명확히 정립하며 내환경성 측면 고온, 저온 특성을 만족하는 부품선정 및 열 해석을 수행하고 항공기 및 유도무기의 환경규격을 만족하는 고효율 소형 30W급 군사용 DC-DC 컨버터를 설계 및 제작한다.
본 논문에서는 기존 포워드 컨버터 토폴로지를 적용한 벤치마킹 ATR2805S 제품의 문제점을 보안하기 위하여 가장 간단한 회로인 플라이백 컨버터를 고전력밀도로 설계한다. 추가로 포워드 컨버터를 액티브 클램프 방식과 동기정류방식을 적용 후 설계하여 손실을 줄이고 효율을 높임으로써 고온동작에서 발열 감소 효과를 얻도록 제작하여 벤치마킹 제품과 고온 동작 버닝 테스트를 비교한다.
본 논문에서는 유도무기 및 항공기 탑재장비용 30W급 군사용 DC-DC 컨버터를 설계하기 위한 전원장치 규격 조건을 미국 군사 규격 및 기존 군사용 DC-DC 컨버터 실제품의 성능을 토대로 요구사양을 적립하였다. MIL-STD 규격에 준하는 사양을 만족하는 DC-DC 컨버터를 설계하여 기존 군사용 DC-DC 컨버터와 성능을 비교하였고, 각각의 MIL-STD 규격 만족 여부를 확인하였다.
본 절에서는 유도무기 및 항공기 탑재장비용 DC-DC 컨버터를 개발하기 위하여 미국 군사규격을 비교하고 적용중인 항공/ 군사용 전원장치 제품을 벤치마킹하여 군사용 DC-DC 컨버터를 개발하기 위한 정량적 요구사양을 정립한다. 표 4는 기 적용중인 30W급 항공/군사용 ATR2805S 제품 제조사에서 MIL-STD 규격을 만족하는 성능 시험 기준을 토대로 제품 특성 파악을 위하여각 파라미터의 성능 수준과 오실로스코프, 전력분석기 및 챔버/ 온도레코더를 이용한 실험 측정치를 나타낸다.

제안 방법

본 논문에서는 유도무기 및 항공기 탑재장비용 30W급 군사용 DC-DC 컨버터를 설계하기 위한 전원장치 규격 조건을 미국 군사 규격 및 기존 군사용 DC-DC 컨버터 실제품의 성능을 토대로 요구사양을 적립하였다. MIL-STD 규격에 준하는 사양을 만족하는 DC-DC 컨버터를 설계하여 기존 군사용 DC-DC 컨버터와 성능을 비교하였고, 각각의 MIL-STD 규격 만족 여부를 확인하였다. SMD 규격을 만족시키기 위한 시제품 패키지 개선과 MIDSTD-810 내환경성 및 MIL-STD-461 EMI 테스트를 추후 진행할 계획이다.
플라이백 컨버터와 포워드 컨버터 PCB Prototype은 그림 5와 같으며, 포워드 컨버터가 출력 인덕터 부분과 전력 소자의 개수가 증가하여 플라이백 컨버터보다 PCB 단면적이 큰 것을 확인할 수 있다. 두 Prototype 모두 MIL-STD-750, MIL-STD-202, MIL-STD-810 규격을 고려하여 동작온도 및 내환경성을 보장하는 소자들로 선정하여 설계한다. 또한 출력 전류의 리플을 줄이고, 스위치 전류의 피크값을 줄이기 위하여 CCM 모드에서 동작하도록 설계하며, 절연을 위한 포토커플러를 구동전원 5V를 공급하기 위하여 변압기 보조권선 회로를 통해 공급하지 않고 내부 IC에서 5V를 자체 공급하기 때문에 보조전원을 위한 별도의 보조권선 없이 설계한다.
커패시터의 경우 알루미늄 전해 커패시터는 고주파에서 주파수 특성이 나쁘고 고온 동작시 파열의 위험이 있어서 사용할 수 없으며, 세라믹 (Ceramic) 소재로 만들어진 MLCC(Multi-layer Ceramic Capacitor)는 급격한 온도변화에도 커패시턴스 변화가 작고 DF (Dissipation Factor)가 안정적이라 사용하기 적합하다[14]. 따라서 군사용 DC-DC 컨버터의 Prototype 설계 및 제작하기 앞서, PSIM 써머모듈 기능을 이용하여 시뮬레이션으로 동작특성 분석및 효율을 측정하였다. 각 반도체 소자들과 자성체 손실 분석 결과, 플라이백 컨버터는 비교적 높은 전압 스트레스로 인하여 스위칭 손실이 증가하였고 프워드 컨버터는 출력단에 인덕터의 추가손실이 발생하였으나 동기정류 방식 적용으로 환류구간 손실이 감소하여 시뮬레이션을 통한 효율 분석 결과는 그림 4와 같다.
따라서 본 논문에서는 다양한 절연형 DC-DC 컨버터 중 소형화를 위해 크기와 간단한 구조 및 용량적 특성을 고려하여 플라이백 컨버터와 포워드 컨버터로 선정하여 각각의 프로토타입을 제작 후 비교 실험을 통해 최종 제품의 토폴로지를 선정한다.
두 Prototype 모두 MIL-STD-750, MIL-STD-202, MIL-STD-810 규격을 고려하여 동작온도 및 내환경성을 보장하는 소자들로 선정하여 설계한다. 또한 출력 전류의 리플을 줄이고, 스위치 전류의 피크값을 줄이기 위하여 CCM 모드에서 동작하도록 설계하며, 절연을 위한 포토커플러를 구동전원 5V를 공급하기 위하여 변압기 보조권선 회로를 통해 공급하지 않고 내부 IC에서 5V를 자체 공급하기 때문에 보조전원을 위한 별도의 보조권선 없이 설계한다.
하지만 높은 전압 스트레스가 발생하고, 스너버 회로가 필요하다는 단점이 있으며 출력 전압 리플이 커서 커패시터 용량을 상대적으로 크게 설계해야 한다. 본 논문 에서는 변압기 잔류 자속을 해결하기 위한 스너버 회로를 제너다 이오드와 쇼트키 다이오드를 이용하여 클램프 회로를 사용한다.
본 논문에서 제작한 1차 PCB Prototype 플라이백, 포워드 컨버터 제품과 유도무기 및 군사용 전원장치에 기 적용중인 IR社 전력변환장치 ATR2805S(Forward) 제품을 똑같은 환경 조건에서 3종류의 컨버터 성능 시험을 진행한다.
본 논문에서는 기 적용중인 항공/군사용 전원장치 (ATR2805S) 제품을 벤치마킹하여 선진제품에 대한 분석을 통해 현재 생산되고 있는 외산 제품의 성능 및 특성을 파악하고 항공기(MILSTD-704) 규격 및 군사용 전원장치(MIL-STD-1275) 규격 분석을 수행한다. 이를 통해 기존 DC-DC 컨버터를 군사용으로 사용 하기 위한 요구사양을 명확히 정립하며 내환경성 측면 고온, 저온 특성을 만족하는 부품선정 및 열 해석을 수행하고 항공기 및 유도무기의 환경규격을 만족하는 고효율 소형 30W급 군사용 DC-DC 컨버터를 설계 및 제작한다. 제작된 군사용 DC-DC 컨버터의 성능을MIL-STD 규격에 따라 실험을 통하여 검증한다.
본 논문에서는 기존 포워드 컨버터 토폴로지를 적용한 벤치마킹 ATR2805S 제품의 문제점을 보안하기 위하여 가장 간단한 회로인 플라이백 컨버터를 고전력밀도로 설계한다. 추가로 포워드 컨버터를 액티브 클램프 방식과 동기정류방식을 적용 후 설계하여 손실을 줄이고 효율을 높임으로써 고온동작에서 발열 감소 효과를 얻도록 제작하여 벤치마킹 제품과 고온 동작 버닝 테스트를 비교한다.

대상 데이터

본 논문에서 설계하는 유도무기 및 항공기용 DC-DC 컨버터는 SMD 규격 Class H에 해당하며, 30W급 Nominal 입력전압 28V, 출력 5V의 소형 DC-DC 컨버터는 패키지 타입이 Case Outline H 조건에 해당한다. 또한 SMD 규격 Class H 조건에서는 DC-DC 컨버터의 마감처리를 Lead Finish E 타입이 요구된다[15].

이론/모형

이러한 문제를 해결하기 위해서 본 논문에서는 포워드 컨버터 토폴로지에 액티브 클램프 방식과 동기정류방식을 적용하였다. 액티브 클램프 방식을 적용하면 일반적인 포워드 컨버터 방식과 달리 스위치 S3, S4의 게이트 신호는 변압기의 2차 전압과 같기 때문에 변압기 권선에서 게이트 신호를 나오게 하여 심플하게 설계할 수 있으며, 커패시터와 직렬로 연결된 보조 스위치를 변압기와 접속시킴으로써 변압기의 자화 에너지 및 누설 인덕턴스 에너지를 흡수하여 전원 측으로 회생시킬 수 있다.
이를 통해 기존 DC-DC 컨버터를 군사용으로 사용 하기 위한 요구사양을 명확히 정립하며 내환경성 측면 고온, 저온 특성을 만족하는 부품선정 및 열 해석을 수행하고 항공기 및 유도무기의 환경규격을 만족하는 고효율 소형 30W급 군사용 DC-DC 컨버터를 설계 및 제작한다. 제작된 군사용 DC-DC 컨버터의 성능을MIL-STD 규격에 따라 실험을 통하여 검증한다.

성능/효과

MIL-STD-1275 규격을 만족하는 Nominal 28V 전압에서 전체적 효율은 포워드 컨버터가 88.95%로 플라이백 컨버터의 86.42% 보다 높게 나오는 것을 확인할 수 있다. 플라이백 컨버터와 포워드 컨버터 PCB Prototype은 그림 5와 같으며, 포워드 컨버터가 출력 인덕터 부분과 전력 소자의 개수가 증가하여 플라이백 컨버터보다 PCB 단면적이 큰 것을 확인할 수 있다.
그림 7은 SMD 규격을 고려하고 레귤레이션 특성을 높이기 위해 제어상수를 튜닝하고 출력 커패시터 및 자성체 수동 소자들의 부피를 최소화하여 재설계한 2차 포워드 컨버터 PCB Prototype 을 나타낸다. 군사용 DC-DC 컨버터 정량적 요구사항 만족여부를 다시 2차 포워드 제품으로 실험한 결과, 기존 1차 포워드 컨버터 PCB Prototype 제품이 만족하지 못한 출력전압 정밀도와 라인 레귤레이션 항목을 만족하는 것을 표 8을 통해 확인할 수 있다.
표 4는 기 적용중인 30W급 항공/군사용 ATR2805S 제품 제조사에서 MIL-STD 규격을 만족하는 성능 시험 기준을 토대로 제품 특성 파악을 위하여각 파라미터의 성능 수준과 오실로스코프, 전력분석기 및 챔버/ 온도레코더를 이용한 실험 측정치를 나타낸다. 벤치마킹 제품의 성능 및 특성은 MIL-STD 규격 기반의 정량적 요구사항을 모두 만족하는 것을 확인할 수 있으며, 본 논문에서 제작하는 DC-DC 컨버터는 표 4의 MIL-STD 규격 기반 요구사양을 만족여부를 동일한 실험을 통해서 검증한다.
42% 보다 높게 나오는 것을 확인할 수 있다. 플라이백 컨버터와 포워드 컨버터 PCB Prototype은 그림 5와 같으며, 포워드 컨버터가 출력 인덕터 부분과 전력 소자의 개수가 증가하여 플라이백 컨버터보다 PCB 단면적이 큰 것을 확인할 수 있다. 두 Prototype 모두 MIL-STD-750, MIL-STD-202, MIL-STD-810 규격을 고려하여 동작온도 및 내환경성을 보장하는 소자들로 선정하여 설계한다.

후속연구

MIL-STD 규격에 준하는 사양을 만족하는 DC-DC 컨버터를 설계하여 기존 군사용 DC-DC 컨버터와 성능을 비교하였고, 각각의 MIL-STD 규격 만족 여부를 확인하였다. SMD 규격을 만족시키기 위한 시제품 패키지 개선과 MIDSTD-810 내환경성 및 MIL-STD-461 EMI 테스트를 추후 진행할 계획이다. 따라서 본 논문에서 정립한 군사용 DC-DC 컨버터 설계 정량적 요구사항은 고신뢰성을 갖는 소형 DC-DC 컨버터를 설계 할 때 가이드가 될 수 있을 것이라 기대되며, 기존 전량 수입에 의존하고 있는 유도무기, 항공기 등에 사용되는 군사용 DC-DC 컨버터를 논문에서 개발한 DC-DC 컨버터가 대체할 수있다면 수입대체 효과가 클 것으로 예상된다.
SMD 규격을 만족시키기 위한 시제품 패키지 개선과 MIDSTD-810 내환경성 및 MIL-STD-461 EMI 테스트를 추후 진행할 계획이다. 따라서 본 논문에서 정립한 군사용 DC-DC 컨버터 설계 정량적 요구사항은 고신뢰성을 갖는 소형 DC-DC 컨버터를 설계 할 때 가이드가 될 수 있을 것이라 기대되며, 기존 전량 수입에 의존하고 있는 유도무기, 항공기 등에 사용되는 군사용 DC-DC 컨버터를 논문에서 개발한 DC-DC 컨버터가 대체할 수있다면 수입대체 효과가 클 것으로 예상된다.
따라서 플라이백 컨버터는 출력 전압 리플과 로드 스텝 응답 시험에서 성능 기준치에 못 미치는 성적을 거뒀기 때문에 공인인증 기관인 자동차부품연구원 (KATECH)에서 진행된 동작온도 시험 및 라인 레귤레이션 시험 항목에서 제외되었다. 따라서 추후 제작할 2차 Prototype 제품군에서 플라이백 컨버터는 제외한 포워드 컨버터만 제작한다.
따라서, 기존 PCB 보드를 세라믹 등의 온도에 강인한 기판으로 대체하고 저항을 레이저 프린팅하여 기판과 부품의 일체화하는 기술 등을 고려하고, 그림 9와 같이 직접 기판에 반도체를 와이어로 실장 패키징 작업 등을 구현하여 DC-DC 컨버터 소형화 작업 진행 및 과열 문제점 개선이 필요하다. 또한 MID-STD-810 내환경성 만족여부를 확인하기 위하여 진동 및 습도 관련 시험을 진행할 계획이며 MIL-STD-461 규격에 준하는 EMI 추가 테스트를 위한 설계가 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	유도무기 및 항공기용 탑재전자 장치의 내환경 시험의 평가항목에는 무엇이 있는가?	유도무기 및 항공기용 탑재전자 장치의 내환경 시험은 온습도 특성, 기계적 특성, 전자파 특성에 대한 시험으로 구분할 수 있으며, 온습도 특성은 저온/고온, 저장/동작, 열충격 등이 있고 기계적 특성은 진동, 충격시험이 있다[8].
	절연형 DC-DC 컨버터에 속하는 컨버터들의 특징은 무엇인가?	절연형 DC-DC 컨버터는 입력과 출력과의 기본적인 분리의 필요성에 따라 변압기를 사용하고 있으 며, 표 5는 각 컨버터들의 특성을 비교해 놓은 표이다. 그림 2와 표 5에서 확인할 수 있듯이 하프브리지 컨버터와 풀브리지 컨버터는 능동 스위치 소자가 2개이상 사용되며 상단 스위치를 구동시키기 위한 절연전원이 추가로 요구된다. 또한 푸시풀 컨버터는 동일하게 능동 스위치 소자가 2개 사용되며 스위치에 입력전압의 2배가 걸리는 단점이 존재한다. 반면 플라이백 컨버터와 포워드 컨버터는 능동 스위치 소자의 개수가 1개이며, 구조가 다른 컨버터 토폴로지에 비하여 상대적으로 간단하다[9],[10].
	군사용 전원 장치는 왜 안정적인 고 신뢰성동작이 필요한가?	특히 유도무기 및항공기에는 다수의 전자장비들이 탑재되어 있으며, 주로 28V의 직류전원을 공급받아 각각의 탑재장비가 요구하는 전압으로 변환 시키는 DC-DC 컨버터가 필요하다. 군사용 전원 장치의 경우 산업용 DC-DC 컨버터와는 달리 항공사업 및 군사용으로 사용되는 특수목적을 가지고 있으므로 극한의 외부 조건에도 안정적인 고신뢰성 동작이 필요하다. 따라서 온도 및 진동에 대한 내환경성이 입증되어야 하며, 부피 및 무게에 대한 제약이 있기 때문에 고신뢰성을 갖는 소형 부품의 사용이 요구된다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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