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문제 정의
- 필요하다. 본 논문에서는 긴 송신 펄스 구간동안 펄스 전원 강하가 0.5 V 이내가 되도록 설계하였다. T/R 모듈당 커패시턴스가 2400 uF이 필요하다.
- 본 장에서는 함정 AESA 레이더 안테나의 DC 전원분배 시스템 개발동향과 상용 DC-DC 컨버터 기술 조사를 통해 미래형 AESA 레이더 DC 전원 분배 시스템에 적합한 고전압·고효율 DC-DC 전원모듈을 제시하고자 한다.
제안 방법
- 커패시터 뱅크는 낮은 손실을 위해 8개로 병렬 연결된다. HPA에서 필요한 전원은 45 V이지만, 커패시터 저항손실과 스위치용 FET 저항손실에 따른 0.3 V 전압 Drop을 고려하여, Buck 레귤레이터 출력 전압을 45.3 V로 설계하였다.
- 그리고 DC-DC 컨버터는 상용품으로 생산되고 있는 고전압·고효율∙고전력의 일반 800 V DC BUS 컨버터(②-2)를 적용하였다. 고밀도(High Density) DC BUS 컨버터들은 향후 상용품으로 생산될 예정이여서 본 논문에서는 일반 800 V DC BUS 컨버터를 적용하였다.
- 고전압·고효율 DC-DC 전원모듈의 전압/전류 펄스 강하 성능과 고속 충전/방전 특성을 확인하였고, GaN형 Pulsed HPA와 연동 시험하여 만족할 수준의 RF 출력 특성 결과를 확인하였다.
- 4 ~ 65 V, 전류 2 A, Synchronous Step-down Regulator인 Linear Technology사의 상용 칩 LT8620을 이용하였다. 그리고 LTSpice 툴로 전체 Buck 레귤레이터, 스위칭 회로 및 에너지 충전 커패시터 뱅크와 Pulsed HPA 등가 부하 조건으로 동작 특성을 시뮬레이션 하였다. 주요 파라미터 선정은 LT8620 Data sheet를 참조하였다.
- 5의 ②Buck 레귤레이터가 평균 2 A로 제한되도록 설계하였다. 그리고 고용량 충전 커패시터 뱅크 앞단 Buck 레귤레이터에 첨두전류를 제한함으로써 돌입전류로부터 보호될 수 있도록 하였다.
- 기존 능동위상배열 안테나 배열로 입력되는 전압은 일반적으로 DC 300 V이며, Regulated DC-DC 컨버터에 의해 T/R 모듈이 요구하는 전압 레벨(약 10 ~ 28 V, 최근 45 V)로 변환되지만, 본 논문에서는 DC 800 V 고전압을 T/R 모듈 그룹으로 공급하고, 고전압·고효율의 DC BUS 컨버터(Fixed ratio, K = 1/16)에 의해 T/R 모듈에 필요한 45 V를 공급한다.
- 분산형 구조로, T/R 모듈 그룹(16채널)과 일체형으로 결합할 수 있는 구조이다. 또한 800 V DC BUS 컨버터, Buck 레귤레이터와 커패시터 뱅크단들을최적으로 공간 배치하여 소형화/경량화의 분산형 고전압·고효율 DC-DC 전원모듈로 설계하였다.
- 본 논문에서 제안된 고전압·고효율 DC-DC 전원 모듈의 주요 구성품인 800 V DC BUS 컨버터, BUCK 레귤레이터, 송신 On/Off 스위치와 장거리 탐지를 위해 긴 송신 펄스 폭 구현을 위해 고용량 에너지 충전커패시터 뱅크단 회로들을 설계, 제작, 시험하였다. 고전압·고효율 DC-DC 전원모듈의 전압/전류 펄스 강하 성능과 고속 충전/방전 특성을 확인하였고, GaN형 Pulsed HPA와 연동 시험하여 만족할 수준의 RF 출력 특성 결과를 확인하였다.
- 필요하다. 본 논문에서 제안된 고전압·고효율 DC-DC 전원모듈은 첫째, 고전력을 위해 고전압 800 V 전원을 적용하였고, 둘째 고효율(97.7 %)의 800 V DC BUS 컨버터를 적용하여 고전압·고효율 DC-DC 전원모듈을 설계하였다. 주요 구성품의 시뮬레이션과 실험을 통해 고전압·고효율 전원모듈의 성능을 확인하였다.
- 또한 고용량 커패시터는 저용량 대비 고가이다. 본 논문에서는 소형화/경량화를 구현하기 위해 넓이 11 mm, 높이 10 mm, 길이 10.3 mm, ESR 0.12 Ω의 상용 커패시터 330 uF을 8개(총 2640 uF)를병렬로 배치하여 체적 9.1 cm3와 등가 ESR 0.0015 Ω 이 되도록 설계하였다. 대용량 커패시터가 차지하는 공간 대비 1/11배 줄어들고, 등가 ESR 또한 0.
- 제안된 구조는 기존과 다르게 입력전압이 DC 300 V 에서 800 V로 높게 입력하여 고전압, 고전력 시스템으로 구현된다. 800V DC BUS 컨버터(고정비율 : 1/16, Step-down)의 출력 전압은 46 ~ 50 V로 변환된다.
- 7 %)의 800 V DC BUS 컨버터를 적용하여 고전압·고효율 DC-DC 전원모듈을 설계하였다. 주요 구성품의 시뮬레이션과 실험을 통해 고전압·고효율 전원모듈의 성능을 확인하였다.
대상 데이터
- 6은 고전압·고효율 DC-DC 전원모듈 블록도이다. 800 V DC BUS 컨버터와, 16채널 Buck 레귤레이터, 16채널 커패시터 뱅크단, 돌입전류 제한회로, 제어기와 +45 V전원(16채널), 기타 전원들로 구성된다. 제어기는 Buck 레귤레이터의 출력 전압과 전류를 모니터링하고, PWM(Pulse Width Modulation) 비율을 계산하여 Buck 레귤레이터 On/Off 제어를 한다.
- 한다. 본 논문에서 제안하는 Fig. 5의 구조는 분산형으로서 효율 97.7 %의 800 V DC BUS 컨버터로 구성되는 고전압·고효율 DC-DC 전원모듈이다.
- 본 논문의 고전압·고효율 DC-DC 전원모듈은 미래기술 추세인 고전력 DC 시스템을 구축할 수 있도록 입력 전압을 800 V로 선정하였다. 그리고 DC-DC 컨버터는 상용품으로 생산되고 있는 고전압·고효율∙고전력의 일반 800 V DC BUS 컨버터(②-2)를 적용하였다.
- 15)이다. 이에 입력범위 3.4 ~ 65 V, 전류 2 A, Synchronous Step-down Regulator인 Linear Technology사의 상용 칩 LT8620을 이용하였다. 그리고 LTSpice 툴로 전체 Buck 레귤레이터, 스위칭 회로 및 에너지 충전 커패시터 뱅크와 Pulsed HPA 등가 부하 조건으로 동작 특성을 시뮬레이션 하였다.
- 그리고 LTSpice 툴로 전체 Buck 레귤레이터, 스위칭 회로 및 에너지 충전 커패시터 뱅크와 Pulsed HPA 등가 부하 조건으로 동작 특성을 시뮬레이션 하였다. 주요 파라미터 선정은 LT8620 Data sheet를 참조하였다.
- 2400 uF 구현을 위해, 2개가 필요하다. 체적은 넓이 36 mm, 높이 18 mm, 길이 40 mm로 103.7 cm3이고, 등가 ESR 0.013 Ω이다. 또한 고용량 커패시터는 저용량 대비 고가이다.
데이터처리
- 비교/분석하였다. T/R 모듈 단위그룹의 소모전력은 1.5 kW를 기준으로 비교하였다. 기존 300 V에서 800 V 적용 시, 전류가 3/8배로 감소하여, 케이블 굵기가 1/5배 감소한다.
성능/효과
- 그리고 Fig. 4(b)의 기존 Regulated DC-DC 컨버터를 이용한 분산형 구조의 DC-DC 전원모듈은 T/R 모듈 그룹 단위마다 일대일로 인터페이스가 형성되며, 집중형 보다 외부 인터페이스가 간소화 되지만, DC-DC 전원모듈이 차지하는 체적과 무게는 다소 증가된다.
- 16은 실제 RF GaN형 Pulsed HPA와 연동하여 실험한 RF 출력전력을 측정한 결과이다. RF 출력 특성이 송신 펄스 폭 300 us 구간에서 정상적인 200 W 이상의 Pulsed RF 출력특성을 만족하였고, RF 펄스 강하는 0.6 dB로 나타났다. Fig.
- 또한 DC 전원 분배 시스템은 분산형 시스템으로 구현할 수 있어 체계 DC 전원 인터페이스를 간소화 할 수 있다. 그리고 DC 800 V 고전압, 고효율, 고전력을 안테나 시스템에 제공함으로써, 능동위상배열 안테나의 크기와 무게를 획기적으로 줄일 수 있고, 고효율 시스템으로 안테나 소모전력을 106 kW 줄일 수 있는 것으로 분석되었다. 공간(Space), 무게 (Weight), 전력(Power)과 냉각(Cooling)이 제한되는 함정용 AESA 레이더용 분산형 DC 전원분배 시스템에 적용 시 소형화, 경량화가 구현될 것으로 사료된다.
- 미 해군의 함정용 레이더 DC 전원 분배시스템은 기존 300 V에서 1000 V로 고전압, 고전력 화로 발전하고 있다. 그리고 DC-DC 컨버터들의 시장조사에서는 고전압, 고전력에 적합한 고밀도, 고효율의 800 V와 1200 V DC BUS 컨버터들이 상용 품으로 생산되고 있음을 확인하였다.
- 0015 Ω 이 되도록 설계하였다. 대용량 커패시터가 차지하는 공간 대비 1/11배 줄어들고, 등가 ESR 또한 0.11배로 줄어드는 효과를 얻을 수 있다.
- 레이더 실제 운용에서 송신/수신을 하는데 충분한 고속 충방전 회로임을 해석결과로 확인하였다. 송신 펄스 On 시간을 300 us, 펄스 주기는 2 ms이며, 듀티 15 %로 설정하였다.
- 본 논문에서 제안된 고전압·고효율 DC-DC 전원 분배기술을 적용 시, T/R 모듈 그룹단위(T/R모듈 8개 ~ 16개로 구성)와 DC-DC 전원모듈을 일체형으로 구현할 수 있다. 또한 DC 전원 분배 시스템은 분산형 시스템으로 구현할 수 있어 체계 DC 전원 인터페이스를 간소화 할 수 있다.
- 시험 보드간 사이의 연결선 때문에 Rising 특성이 뭉글어짐 현상을 보였다. 송신 Enable off(스위치 on) 구간에서 충전 전압이 정상적으로 45 V로 다음 송신 시점 이전에 충전됨을 확인하였다.
- 차지한다. 제안하는 분산형 병렬구조의 신뢰성이 높은 T/R 모듈과 DC-DC 전원모듈 설계는 기존 능동위상배열 레이더 시스템보다 향상된 신뢰성과 O&S 비용을 절감할 것으로 예상된다.
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