A Study on Adaptive Operation Control to Stabilize bus Voltage of GEO Satellite Power Supply Module

(1)

논문 2016-53-2-15

정지궤도 위성용 전력공급 모듈의 버스 전압 안정화를 위한 최적동작 제어에 관한 연구

( A Study on Adaptive Operation Control to Stabilize bus Voltage of GEO Satellite Power Supply Module )

안 태 영

^*

, 최 현 수

^**

( Tae-Young Ahn and Hyun-Su Choe

^ⓒ

)

요 약

본 논문에서는 PCU(Power Control Unit)의 성능을 최적화 시킬 수 있는 동작모드를 제안하고 제작하여 그 결과를 보고 하 였다. 특히 세 개의 기능별 모듈이 최적의 동작 상태를 유지할 수 있도록 버스의 전압과 연동되게 제어회로를 구성하여 동작 우선순위를 정하고 필요에 따라 자동적으로 동작하도록 최적 동작 제어 방식을 제안하였다. PCU는 태양광 전력을 부하와 연 결된 버스에 정전압으로 변환시키는 S3R(Sequential Switching Shunt Regulator)과 보조 에너지 저장장치인 배터리에 잉여 전 력을 저장하는 BCR(Battery Charge Regulator) 및 배터리에 충전되어 있던 전력을 부하에 공급하는 BDR(Battery Discharge Regulator)로 구성되어 있다. 세 개의 전력변환 모듈은 위성용 전원장치의 특성상 높은 신뢰성을 유지하기 위해서 각각의 모듈 이 병렬로 동작하며, 특히 각 모듈의 기능이 최적의 상태를 유지하기 위해서 안정된 버스 전압이 상시 유지되어야 한다.

Abstract

In this paper, results of produced PCU(Power Control Unit) prototype was showed by suggesting and maintaining optimal operation status which let the three functional modules automatically operate with its necessity by prioritizing operation process. In order to validate effectiveness of the suggested method, we produced a test PCU and examined the results. PCU consists of S3R(Sequential Switching Shunt Regulator), BCR(Battery Charge Regulator), and BDR(Battery Discharge Regulator): converting photovoltaic power into constant voltage at linked bus voltage; storing dump power in the battery which is an auxiliary energy storage device; and supplying power charged in battery to the load. To maintain its high reliability and optimal condition of these three power conversion modules, each module operates in parallel and stable bus voltage is required to be retained at all-time due to the nature of power supply for satellite.

Keywords : PCU(Power Control Unit), BCR(Battery Charge Regulator), BDR(Battery Discharge Regulator), S3R(Sequential Switching Shunt Regulator), GEO(geosynchronous earth orbit) satellite

*

정회원,

^**

정회원, 청주대학교 전자공학과 (Cheongju University)

ⓒ

Corresponding Author(E-mail: [email protected]) Received ;

September 30, 2015

^{Revised ;}

January 07, 2016

Accepted ;

January 26, 2016

Ⅰ. 서 론

최근 세계적으로 통신수요가 증가하면서 고품질과 고속의 데이터를 주고 받을 수 있는 위성 시장이 폭발 적으로 증가하고 있으며, 국내의 경우 소형위성인 우리 별 위성, 과학기술 위성, 다목적실용 위성, 정지궤도 위

성 등이 개발되어 있으며 또한 최근에는 정지궤도 복합 위성이 성공적으로 발사되었다. 그러나 위성제작을 전 문으로 하는 해외 업체에 비해 국내의 우주개발 기반기 술은 상대적으로 미약한 수준이며, 해외 의존도가 높은 실정이다. 또한 위성 기반 기술은 기술 집적도가 높고 기술이전을 위해서는 해외로부터 막대한 비용을 지불해 야 하는 실정이며 군사기술과도 연계가 되어 기술이전 도 극도로 어려운 실정이다. 그렇기 때문에 국내의 우 주산업을 활성하기 위해서는 독자 기술개발이 절실하 며, 특히 경제적 파급력이 높은 인공위성용 관련 핵심 기술개발이 시급하게 요구되고 있다.

(2)

특히 정지궤도 위의 경우 안정된 기능을 유지하기 위 해서 정밀한 동작전압을 요구하고 있으며 위성의 기능 을 활성화 시켜주는 시스템의 전력 공급선인 버스(Bus) 의 전압을 정밀하면서 안정되게 제어시키는 것이 중요 한 핵심기술 중의 하나이다. 이러한 전력공급 모듈을 전력제어모듈 또는 PCU(Power Control Unit)라고 알려 져 있고, PCU는 태양광 어레이에서 발전된 전력을 인 공위성이 필요한 부하특성에 맞도록 전력변환한 후 공 급을 해주는 장치로서 일정하지 않은 태양전지의 전력 을 정밀 조절된 버스전압으로 공급을 할 수 있어야하며 낮 기간 동안 충분히 공급되는 전력을 이용하여 배터리 에 저장하며, 식 기간 동안에 전력이 부족하게 되면 부 족한 버스 전압을 배터리로부터 유지시킨다.^[1～2] 이러한 PCU는 위성의 특성상 고도로 높은 신뢰성을 요구하고 있으며, 부분적인 부품의 손상과 노화 및 성능 저하의 경우에서도 최소한의 전력공급과 안정된 버스 전압이 확보될 필요가 있다. 또한 전력생산이 제한된 특성 때 문에 전력변환기기의 변환효율을 극대화 시킬 필요가 있으며 변환효율을 높임으로서 내부손실과 발열을 최소 화 시킬 수 있어서 부가적인 신뢰성 향상이 기대된다.

본 논문에서는 정지궤도 위성용 전력공급 모듈인 PCU 의 버스(Bus) 전압을 정밀하게 제어하기 위한 최적제어 기법을 도입하고 최대 출력 1kW급 PCU 시제품 제작을 통해 적용 기법의 실용성과 타당성을 확인한다.

Ⅱ. 정지궤도 위성용 전원공급 모듈 구성

1. 전원공급 모듈의 버스전압 제어

PCU의 기본적인 기능은 정지괘도위성의 전력 계통 의 버스전압을 1% 이내로 정밀하게 제어하면서 위급한 상황에서도 전력을 지속적으로 공급할 수 있도록 하는 것이다. 전력은 기본적으로 태양광에서 공급을 받으며 이 태양전지를 통해 전력을 효율적으로 변환하여 인공 위성에서 필요한 전력을 안정적으로 공급 할 수 있도록 하는 PCU는 S3R(Sequential Switching Shunt Regulator), BCR(Battery Charge Regulator), BDR (Battery Discharge Regulator), 배터리 등으로 구성되 어 있으며 각 모듈이 맡은 역할에 따라 미리 정해진 최 적의 순서대로 동작을 해야 한다.^[3]

우선 위성이 태양과 마주하여 태양광에서 전력 공급 이 충분할 때에는 전력을 생산하고 S3R에서 안정된 버 스전압으로 변환을 한다. 이때 공급되는 태양광 에너지 와 출력전력에 따라 동작하는 S3R 모듈의 개수가 정해

S3RS3R

BCR BDR

Li-ion Battery

BCR BDR

S3R

OV load MEA

Load

Bus capacitor

Battery voltage range : 32V‐40.75V Max charging 14A / discharging current : 16A

Max load power : 1kW Load condition : TDMA Solar array max power : 250W

S3R number : 4EA

BDR 400W 2EA / 800W BCR 250W 2EA / 500W SUN

Remote terminal

Buck Boost

8A_max

(a) PCU 전력 전달

Vo

Vc

S3R 1

Vo1

Vo2

Vo3

Vo4

Vo5

Vo6 ON OFF

S3R 2_ON^OFF S3R 3

ON OFF

S3R 4

ON OFF

BDR

ON OFF

BCR operational Area

(b) PCU 모듈의 최적 동작제어 개념도 그림 1. PCU 동작 환경

Fig. 1. Operating Environment of PCU.

진다. 각 S3R 모듈은 부하 상태와 미리 정해진 설정 순 서에 따라 첫 번째 S3R이 먼저 동작을 하게 되고 출력 전력이 높아짐에 따라 전력공급이 부족해지면 다음 S3R 모듈들이 차례로 동작하게 되어 원활하게 전력을 공급 할 수 있도록 한다.^[4～5]

S3R에서 공급된 전력 중 남는 전력은 BCR을 통해 배터리에 충전이 되도록 한다. BCR은 2개가 병렬로 구 성된 강압형 스위칭 전원장치로 이루어져 있으며 각각 최대 출력의 반씩 배터리에 충전전류를 공급을 하고 배 터리의 상황에 따라 정전류 또는 정전압과 같은 충전방 식이 결정이 된다. 즉 배터리의 전압이 목표된 전압보 다 낮을 경우에는 BCR이 정전류 CC(Constant current) 모드로 동작하게 되며 일정한 전류로 배터리를 충전 한 다. 이때 BCR의 출력전압은 배터리 전압을 추종하게 된다. 반대로 목표전압에 도달할 경우에는 BCR이 정전 압 CV(Constant voltage)모드로 동작하게 되고 설정해 놓은 버스 전압에서 저 전류로 충전하게 된다.^[6～7]

한편 태양광에서 공급되는 전력이 점차 줄어들게 되 면 4개의 S3R에서 공급되는 전력이 줄어들게 되면서 버스전압에 공급되는 전력이 부족해진다. 이때 BCR의

(3)

동작은 멈추게 되어 배터리 충전은 멈추게 되고, BDR 이 동작하며 배터리에 저장된 전력을 버스전압과 부하 를 통해 공급하게 된다. BDR은 고장 등 이상발생 시 동작보증을 위해서 병렬로 구성된 2개의 승압형 스위칭 전원장치로 이루어져 있으며 각각 최대 출력의 반씩 버스전압에 전력을 공급할 수 있다.^[8～9]

그림 1 (a)은 정지괘도 위성용 전력공급 모듈에 적용 한 1kW급의 PCU를 다이어그램으로 나타낸 것으로 S3R은 각 250W씩 2개, BCR은 각 250W씩 2개, 그리고 BDR은 400W씩 2개의 모듈로 구성하였다.

그림 1 (b)은 본 논문에서 적용하는 PCU 모듈의 최 적 동작 제어 개념도를 나타낸 것이다. 그림에서 수평 축은 PCU의 부하와 병렬인 버스전압이며, 수직축은 각 모듈의 동작상태 순서를 나타내었다. 일반적으로 전원 공급 장치는 부하전력이 증가할수록 전원의 부하특성에 따라 버스전압이 점차 낮아지는 특성이 있다. 따라서 PCU의 전력이 낮은 부하에서는 S3R 1번 모듈의 동작 을 시작으로 부하특성에 의한 버스전압 강하상태가 되 면 출력전압 Vo1에서 Vo2로 떨어지고 대기하고 있던 S3R 2번 모듈이 턴 온 상태가 되어 입력에서 버스로 입력전력을 증가시키게 된다. 다시 부하전력이 증가하 게 되면 S3R 3번 과 4번 모듈이 순서대로 동작하며 결 국 준비된 4개의 S3R 모듈이 전부 턴 온 상태가 된 다.[5] 이후 부하전력이 증가되어 출력전압이 Vo5 이하 로 저하되면 미리 충전되었던 배터리에서 전력을 제공 받아서 BDR이 턴 온하게 되어 전력을 백업하게 된다.

이때 BDR은 배터리의 저장용량과 부하전력의 크기에 따라 동작시간이 제한되며 이때에는 배터리 충전회로인 BCR은 대기 상태가 된다. 각 모듈의 턴 온과 턴 오프 상태는 스위칭 오동작과 동작 순서를 명확하게 정하기 위해서 제어회로에 히스테리시스 제어기를 도입하였고, 결과적으로는 턴 온과 턴 오프 상태를 버스전압에 따라 명확하게 설정 할 수 있었다.^[3]

2. 전원공급 모듈의 구성

그림 2는 PCU의 기본 구성 모듈을 구성하는 회로방 식을 나타내었으며 그림 2 (a)는 S3R의 기본 회로이며 출력전압을 피드백 받아 스위치를 컨트롤 하여 출력전 압을 결정한다. 스위칭을 통해 전달되는 전력은 다이오 드를 통해 출력 전압에 인가되고 버스 커패시터의 충방 전 특성을 이용하여 버스에 안정된 전압을 공급한다.^[4～

5] 그림 2 (b)는 BCR의 기본 회로를 나타내었고 회로방 식은 강압형 컨버터로써 CC/CV모드로 제어된다. BCR

vD

R1

VREF

C

+

− vC

R2

− EA + Comp

vref

vBUS

Solar

CBUS D

SW IIN V_IN

vGS

+−

(a) S3R 기본회로

vD

R1

VREF

R

+

− vC

R2

EA

− Comp+

iSW

Δd

Reset Set Q

SR Latch CLK

CF

D SW

+− +−

vbat

vs

VREF

+

− EA

C

C vgs

VBUS

vs

+ − CT

iSW iL

iD

vD

iO

(b) BCR 기본회로

vD

R1

VREF

+

− vC

R2

EA

− Comp+

iSW

Δd

Reset Set Q

SR Latch CLK

CF

LF D

SW

iSW

+− +−

VBUS

R C

vgs

vbat iL

iD

VDS

iO

(c) BDR 회로

Battery Specifications

No Parameter unit value

1 Nominal Output Voltage V 36

2 Max. Capacity AH 26

3 Max Output Voltage V 42

4 Cut Off Output Voltage V 28

5 Max Output Current A 20

Charging Conditions

No Parameter unit Value

1 Suggested Charging Voltage V 37

2 Max. Charging Current A 15

3 Charging Conditions mode CC/CV

(d) 배터리 특성표 그림 2. 각 장치의 회로 구성 및 배터리특성

Fig. 2. S3R, BCR and BDR Topology and Specification of Battery.

은 총 2개로 병렬운전을 하며 이때 두 개의 BCR은 같 은 피드백 전압을 받아 동작하여 출력전압과 출력전류 가 동일하게 동작하고 스위칭 주파수도 동기화 되었다.

CC모드는 컨버터의 충전전류를 제어하여 일정한 전류 로 배터리에 충전하고 CV모드일 때에는 출력 전압을 기준으로 배터리에 일정 전압으로 충전 한다.^[6～7] 그림

(4)

BDR 400W 2EA / 800W BCR 250W 2EA / 500W S3RS3R

BCR

Slave

Li-ion Battery BCR

Master BDR

S3R

MEA

Load

Bus capacitor

S3R number : 4EA

SUN

Buck

Boost

(a) 배터리 충전 특성 실험

Load BDR 400W 2EA / 800W

BCR 250W 2EA / 500W S3RS3R

BDR

Slave

Li-ion Battery

BCR BDR

Master

S3R

Bus capacitor MEA

S3R number : 4EA

SUN

Buck

Boost

(b) 배터리 방전 특성 실험 그림 3. 상황별 전력 전달 구성도

Fig. 3. Situational Power Transmitting Topology.

1Ch Iin 2A/div 1Ch Vin 20V/div

2Ch Vin 20V/div

2Ch Iin 1A/div Time 0.2μs/div

(a )S3R 전압 및 전류

IL Master 2A/div VD Master 20V/div

VD Slave 20V/div

IL Slave 2A/div Time 0.2μs/div

(b) BCR 전압 및 전류 그림 4. S3R과 BCR의 중요 구간 파형

Fig. 4. Experimental Waveform of S3R and BCR.

2 (c)는 BDR의 기본 회로이며 회로방식은 부스트 컨버 터이다. BDR은 총 2개로 병렬운전을 하며 이때 두 개 의 BDR은 같은 피드백 전압을 받아 동작하여 출력전 압과 출력전류가 동일하게 동작하며 스위칭 주파수도 동기화 하였다. 배터리에 충전된 전력을 BDR을 통해 버스전압으로 승압한다.^[8～9] 그림 2 (d)는 시제품용

40 45 50 55 60

0 2 4 6

BU S V olt ag e V i [V ]

Time[H]

(a) BUS Voltage

0 1 2 3 4

0 2 4 6

BU S Cu rren t Ii [A]

Time[H]

(b) BUS Current

34 35 36 37

0 2 4 6

BA T V olt ag e V o [ V]

Time[H]

(c) BAT Voltage

0 1 2 3 4 5

0 2 4 6

BA T C urre nt I o [A ]

Time[H]

(d) BAT Current 그림 5. S3R과 BCR 및 배터리의 전력전달 그래프 Fig. 5. Experimental Power Transmitting Graph of S3R,

BCR and Battery.

PCU에서 사용된 배터리의 주요 사양이다. 배터리의 용 량은 26AH급이며 전력공급 시간과 무게, 부피 등을 고 려하여 결정하였으며 리튱-이온 계열 배터리를 사용하 였다. 각 장치의 동작은 출력전력과 입력전력을 기준으 로 시스템의 제어 논리회로를 구성하였으며 버스전압 상황에 따라 동작하도록 하였다.^[3,10～11]

Ⅲ. 실험 결과

본 논문에서는 앞서 구성된 PCU의 각 모듈의 기능 과 버스전압 안정화를 위한 최적동작 제어 특성을 확인 하기 위해서 그림 1 (a)와 같은 최대 출력 1kW급 PCU 시제품을 제작하고 그 특성을 분석하였다. 그림 3은 PCU의 동작 상황중 대표적인 2가지의 상황을 재현 한 것으로 PCU가 정상적으로 동작하는 것을 확인하기 위 하여 가상으로 상황을 만들어 실험 하였다.^[2] 먼저 그림 3 (a)는 정지괘도 위성이 태양과 마주하고 부하전력이 적은 경우의 상황이며, 이때에는 생산전력이 부하전력 을 초과하여 초과된 전력을 26AH급 배터리에 저장하고 있다. 그림 3 (b)에서는 태양전지에서 발생된 전력이 부 하전력보다 적거나, 부하전력이 공급을 초과할 때 배터 리에 저장된 전력을 부하에 공급하는 상황이다.

그림 4에서는 PCU가 그림 3 (a)와 같은 상황에서 측 정된 주요파형을 나타내었다. 그림에서 S3R에서 공급 되는 입력 전압과 전류 파형, BCR의 전압과 출력전류 파형을 나타내었다. 먼저 그림 4 (a)에서 첫 번째 S3R 모듈이 동작하여 최대전력이 출력되고 두 번째 S3R은

(5)

IL Master 0.2A/div VD Master 20V/div

IL Slave 0.2A/div Time 0.2μs/div

(a) 출력 전력 0W

IL Master 1A/div VD Master 20V/div

IL Slave 1A/div Time 0.2μs/div

(b) 출력 전력 150W 그림 6. BDR의 중요 구간 파형 Fig. 6. Experimental Waveform of BDR.

40 45 50 55 60

0 1 2 3 4

BU S v olt ag e V o [ V]

Time[h]

(a) BUS Voltage

0 1 2 3 4

BU S C urre nt I o [A ]

Time[h]

(b) BUS Current

32 34 36 38

0 1 2 3 4

BA T v olt ag e V i [V ]

Time[h]

(c) BAT Voltage

1 2 3 4 5

0 1 2 3 4

BA TC urre nt I i [A ]

Time[h]

(d) BAT Current 그림 7. BDR과 배터리 및 부하의 전력전달 그래프 Fig. 7. Experimental Power Transmitting Graph of BDR,

Battery and Load.

버스전압을 안정화시키기 위해서 스위칭 하는 것을 알 수 있다. 그림 4 (b)에서는 두 개의 BCR이 병렬로 동작 하기 때문에 배터리에 충전 전류가 동일하게 흐르는 것 을 알 수 있고 전압파형으로는 스위칭 시비율과 주파수 그리고 전압이 동기화 되어 동작하고 있다는 것을 알 수 있다.^[5～6] 그림 5에서는 PCU가 그림 3 (a)와 같은 상황에 있을 때 각 모듈의 전력 상황을 장시간 측정하 여 그래프로 나타낸 것이며, 그림에서 버스전압이 약 50V로 일정하게 유지되며, 부하전류가 변화할 때마다

(a) 시제품 특성 실험

(b) 1kW급 PCU 시제품 사진 그림 8. PCU 실험 환경 및 시제품 사진

Fig. 8. Experimental Environment and Prototype of PCU.

배터리 전압 전류가 BCR을 통해 제어되고 있다는 것을 알 수 있다.

그림 6에서는 그림 3 (b)와 같은 상황에서 측정된 각 모듈의 주요파형을 나타내었다. BDR은 병렬로 동작하 여 전력 변환을 하고 이때 BDR의 전압과 출력전류 파 형을 나타내었다. 두 개의 BDR이 같은 주파수로 같은 시비율을 가지고 스위칭 하는 것을 알 수 있고. 출력 전 류도 두 개의 BDR이 동일하게 흐르는 것을 확인할 수

있었다.^[8～9] 그림 7에서는 그림 3 (b)와 같은 상황으로

동작될 때 각 모듈의 전력 상황을 장시간 측정하여 그 래프로 나타낸 것이며, 그림에서 배터리에 저장된 전력 을 BDR을 통해 버스에 공급되면서 인공위성 부하에 약 50V 버스 전압을 안정화 시키고 있다는 것을 확인 할 수 있다.

그림 8에서는 1kW급 PCU 시제품의 실험 환경 및 시제품 사진을 나타내었다. 시험용 PCU는 각 모듈의 S3R과 BCR 및 BDR의 정상상태 동작을 확인 후 결합 한 최종 모듈로써 본 논문에서 적용한 전력공급 모듈의 버스 전압 안정화를 위한 최적동작 제어 논리회로에 따

(6)

라 동작을 하게 된다. 그림 8 (a)에서는 시험용 PCU의 계측기 시험환경 사진이며, 정지괘도 위성이 발사되어 부딪히는 다양한 외적 환경을 모의 시험하기 위한 태양 광 발전 시뮬레이터인 SAS(Solar Array Simulator)를 이용하여 PCU에 전력을 공급하고 전자부하를 이용하 여 인공위성에서 내부에서 요구하는 다양한 부하를 대 체하였다. 그리고 리튬이온 배터리를 사용하여 상황에 따라 충전 또는 방전 될 수 있도록 하였다. 이때 전력의 흐름을 두 개의 전력계를 이용하여 측정하였고 주요 구 간 파형은 오실로스코프를 이용해 확인할 수 있었다.

그림 8 (b)에서는 완성된 1kW급 PCU의 시제품 사진을 나타내었다.

Ⅳ. 결 론

본 논문에서는 정지궤도 위성용 전력공급 모듈인 PCU의 버스(Bus) 전압을 정밀하게 제어하기 위한 최 적제어 기법을 도입하고 적용 기법의 실용성과 타당성 을 확인하기 위하여 시험용 PCU 시제품을 제작하고 그 시험 결과를 보고 하였다. 특히 세 개의 기능별 모듈이 최적의 동작 상태를 유지할 수 있도록 버스의 전압과 연동되게 제어회로를 구성하여 동작 우선순위를 정하고 필요에 따라 자동적으로 동작하도록 최적 동작 제어 방 식을 적용하였다. PCU는 태양광 전력을 부하와 연결된 버스에 정전압으로 변환시키는 S3R(Sequential Swit ching Shunt Regulator)과 보조 에너지 저장장치인 배 터리에 잉여 전력을 저장하는 BCR(Battery Charge Regulator) 및 배터리에 충전되어 있던 전력을 부하에 공급하는 BDR(Battery Discharge Regulator)로 구성하 였다. 세 개의 전력변환 모듈은 위성용 전원장치의 특 성상 높은 신뢰성을 유지하기 위해서 각각의 모듈이 병 렬로 동작하며, 특히 각 모듈의 기능이 최적의 상태를 유지하기 위해서 안정된 버스 전압이 상시 유지 하도록 제어 회로를 구성하였다. 시험결과로부터 본 논문에 적 용된 최적 동작 제어 방식이 부하 및 입력 전력의 변화 에 따라 적정하게 동작하고 있음을 확인 할 수 있었으 며, 높은 신뢰성을 요구하는 정지궤도 위성용 전원의 버스전압 제어방식으로서 적합하다는 것을 밝혔다. 향 후 본 연구의 결과를 바탕으로 각 전력모듈의 변환 효 율을 향상시키고, 모듈의 소형 경량화를 위한 추가적인 연구를 수행할 계획이다.

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