KR100533446B1 - 인공위성 버스전압 조절을 위한 병렬 구성형 보조션트스위치 회로 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전이궤도 및 정지궤도에서 위성의 버스전압 조절을 위해 과잉전력 생성시 션트 전압조절기 주 모듈 이외에 추가적으로 버스에 병렬로 접속된 보조션트 스위치 회로를 이용하여 버스전압을 안정화시키기 위한 인공위성 버스전압 조절을 위한 병렬 구성형 보조션트 스위치 회로에 관한 것이다.

이러한 본 발명은 버스전압 검출회로 내에 상위전압 제한회로를 두고 이를 통하여 보조히터와 연동하여 동작되게 하고, 보조 션트 모듈 내 4개의 스위치 용량과 주 션트 스위치 1개의 모듈은 동일한 용량으로 구성하여 주 션트 스위치의 실패시 대체가 가능하도록 하는 것으로, 본 발명의 보조 션트 스위치 동작은 4개의 보조 히터를 순차적으로 스위칭함으로써 션트 전압 조절기 모듈의 스위치 듀티비가 25%, 50%, 75% 100%와 같이 동작하여 버스전압을 일정하게 하며, 동일한 3개의 입력제어 신호가 주 모듈과 보조 션트 모듈에 사용되게 함으로써 이루어지며, 입력된 오차신호가 최대값, 중간값, 최소값중 최소값은 버리고 최대값과 중간값을 합하여 2로 나눈 평균값을 션트 스위치의 제어신호로 사용하게 된다.

Description

인공위성 버스전압 조절을 위한 병렬 구성형 보조션트 스위치 회로 {Auxiliary shunt circuit in parallel for the bus voltage regulation of satellite}

본 발명은 전이궤도 및 정지궤도에서 위성의 버스전압 조절을 위해 과잉전력 생성시 션트 전압조절기 주 모듈 이외에 추가적으로 버스에 병렬로 접속된 보조션트 스위치 회로를 이용하여 버스전압을 안정화시키기 위한 인공위성 버스전압 조절을 위한 병렬 구성형 보조션트 스위치 회로에 관한 것이다.

일반적으로 정지궤도위성의 태양전지 어레이 션트 전압조절기는 태양전지 어레이로부터 버스 혹은 접지로 스위칭에 의해 전류를 직접적으로 제어하여 버스전압을 조절한다. 이러한 션트 전압 조절기는 아날로그 혹은 디지털에 의한 스위칭 방식을 가지며, 부하증가 혹은 감소 시 버스에 직렬 연결된 태양전지 어레이 회로의 개수를 통해 부하에서 요구되는 전력을 공급하게 된다. 그러나 이러한 션트방식에 의한 버스전압조절회로는 션트 스위치의 실패에 의한 태양전지 어레이의 전력공급증가 혹은 션트조절기가 동작하기 이전의 전이궤도에서 과잉전력생산에 의한 버스전압 상승을 보호하는 장치가 모호하다.

현재, 미국의 Lockheed Martin사, Loral사, 유럽의 Astrium사의 대부분 스위치의 이중화를 통해 이 문제를 해결하고 있다. 그러나 이러한 이중화는 위성전체 무게의 증가를 가져와 비용증가가 발생할 수 있으면, 버스전압의 변동으로 인해 위성전압의 불안정화를 가져올 수 있는 문제점을 안고 있다.

본 발명에서는 션트 전압조절기 주 모듈 이외에 추가적으로 버스에 보조션트 스위치 회로를 병렬로 접속하여, 주 모듈의 스위치 실패시 혹은 전이궤도에서 주 모듈의 동작을 수행하기 전 과잉 생성된 태양전지 전력에 의한 전압상승을 제어하기 위해 회로 내 상위 임계전압 제한기를 두어 제한기를 초과하는 전압 발생시 보조션트 스위치가 연동하여 동작하도록 하는 것이다.

이러한 본 발명은 버스전압 검출회로 내에 상위전압 제한회로를 두고 이를 통하여 보조히터와 연동하여 동작되게 하고, 보조 션트 모듈 내 4개의 스위치 용량과 주 션트 스위치 1개의 모듈은 동일한 용량으로 구성하여 주 션트 스위치의 실패시 대체가 가능하도록 하는 것으로, 본 발명의 보조 션트 스위치 동작은 4개의 보조 히터를 순차적으로 스위칭함으로써 션트 전압 조절기 모듈의 스위치 듀티비가 25%, 50%, 75% 100%와 같이 동작하여 버스전압을 일정하게 하며, 동일한 3개의 입력제어 신호가 주 모듈과 보조 션트 모듈에 사용되게 함으로써 이루어지며, 입력된 오차신호가 최대값, 중간값, 최소값중 최소값은 버리고 최대값과 중간값을 합하여 2로 나눈 평균값을 션트 스위치의 제어신호로 사용하게 된다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 인공위성 버스전압 조절을 위한 병렬 구성형 보조션트스위치 회로의 전체 시스템 구성을 도시한 것으로서, 인공위성 태양전지 어레이 션트 전압조절기의 기본 회로도를 나타낸다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 인공위성 버스전압 조절을 위한 병렬 구성형 보조션트스위치 회로는, 태양전지 어레이(111), 태양전지 어레이 션트 전압조절기(100), 보조션트 전압조절기(103), 션트스위치(115), 직렬 연결 다이오드(116), 어레이 회로(104), 버스전압 검출 회로(110), 수신회로(121), 비교기(122), 스위치 구동회로(124)를 포함한다. 먼저 태양전지 어레이(111)는 여러 개의 모듈로 구성되어 있는데, 각각의 모듈은 버스 전압 조절을 위해 션트 스위치(115)와 병렬로 연결되어 있다.션트 전압조절기(100)는 부하증가시 션트스위치(115)가 오프 상태에 놓이도록 하고, 직렬 연결다이오드(116)를 통해 보다 많은 수의 태양전지 어레이 회로(104)가 버스에 연결되어 부하에서 요구되는 전력이 공급되도록 한다.이와 반대로 션트 전압조절기(100)는 경 부하 연결 시 보다 적은 수의 어레이 회로(104)가 버스에 연결되도록 한다. 또한 보조션트 전압조절기(103)는 션트 전압조절기(100)로 제어할 수 없는 과잉전력을 조절하게 된다.

상기된 션트 전압조절기(100)의 션트 스위치(115) 제어를 위해 먼저 버스전압 검출회로(110)를 이용하여 버스전압(117)으로부터 버스 전압을 검출하게 되고, 이렇게 검출된 버스전압 검출값은 버스전압 검출회로(110)에서 3개의 제어신호로 나뉘어지며, 각 션트 스위치 모듈(101,102,103)의 입력단의 수신회로(121)에 전달된다. 위에서, 3개의 제어신호는 션트전압 조절기(100)와 보조션트 전압조절기(103)에 각각 동시 입력되고, 버스전압 검출회로(110)를 통해 입력된 3개의 오차신호 중 최소 값을 버리고 최대 값과 중간 값을 합하여 2로 나눈 평균값이 각 션트 스위치 모듈(101,102,103)의 제어 신호로 사용하게 된다.

션트 스위치 모듈(101)내의 수신회로(121)로 전달된 버스전압 검출값은 비교기(122)를 포함한 신호발생회로에서 기준전압과 비교되어 오차신호를 발생하게 되고, 이렇게 발생된 오차신호는 버스전압(117)과 태양전지 어레이 전압(104)을 직접적으로 연결/차단을 하게 되는 션트스위치(115)의 구동회로(124)로 전달되어 션트 스위치(115)의 온/오프 동작을 제어하게 된다.

이때, 스위치 구동회로(124)는 션트 스위치(115)의 급격한 온/오프 동작을 제한하기 위해 dv/dt 제어(123)를 사용하게 된다.

션트 스위치(115)가 단락된 경우에는 보조션트 전압 조절기에 직렬로 연결된 퓨즈(114)가 개방되어 더 이상의 션트 스위치 회로가 동작되지 않도록 하고, 지속적으로 스위치의 상태(125)를 텔레메트리로 제공하게 된다.

도 2는 태양전지 어레이 스위칭 조절기의 출력에 대한 I-V특성을 나타낸다.

도 2에 나타나 있듯이, 태양전지 어레이 스위칭 조절기 부하 동작점은 기준전압 Vref, 점A에 의해서 표시되어지는 것처럼 태양전지 특성의 일정 전류비로 유지되어지고 있으며, 이 동작 점은 부하의 부저항 특성에 기인하여 불안정하다.

이 시스템의 동적 특성을 이해하기 위해 초기 동작 점 A를 살펴보면 이점으로부터 부하에 의해 요구되는 입력 전류의 감소는 B점으로의 이동을 의미하고, 결과적으로 전압의 증가를 가져오게 되는 것으로, 부하감소나 혹은 태양전지 전력의 증가는 버스전압을 증가시키는 효과를 가져오게 된다.

따라서 이러한 조건 아래서는 지나친 입력 전류를 흡수하기 위해 션트스위치 수를 증가하게 되며, 또한 만약 어레이 스위치 사이에 부하전류점이 존재한다면 그 점에 해당하는 스위치 PWM 스위치를 하게 된다.

도 3은 버스 전압 검출을 위한 기본회로도로서 버스전압(117)으로부터 검출된 전압(400)은 버스전압 검출회로(110)의 입력이 된다.

먼저, 버스전압 검출값은 비교기(402), 위상 보상기(403), 앰프들(503, 504), 전압 폴로워(506)를 포함하는 신호발생회로에 입력된다.즉, 버스전압 검출값은 버스 검출 회로(401)에서 일정 비율의 값으로 축소된 후 비교기(402)의 입력이 되어 기준전압과 비교하게 되며, 비교기(402)에서 기준전압과 비교되어 발생된 오차신호는 첫 번째 앰프(503)와 두 번째 앰프(504)를 통해 DC이득이 증폭되고, 증폭된 신호는 다시 위상 보상기(403)에 의해 위상보상이 이루어지며, 이렇게 위상보상된 신호는 입력임피던스가 크고 또 출력임피던스는 대단히 낮기 때문에 이득값이 1인 비반전 증폭기를 이용한 전압 폴로워(Follower)(506)의 입력이 된다.이때 신호발생회로에서 발생된 신호 값이 상위 제한 값(404)을 넘게 되면 스위치 구동회로(124)에서는 보조 션트 전압조절기(103)의 션트스위치가 동작되도록 한다.

그러나 제어회로에서 제한 범위 내의 신호 값은 앰프(507)단을 통과하여 션트 스위치 온/오프 개수를 결정하기 위한 3개의 제어신호 Sas_ctrl A(406), Sas_ctrl B(407), Sas_ctrl C(408)를 생성하게 된다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 병렬 구성형 보조 션트 전압 조절기 회로의 구성을 도시한 것이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 보조 션트전압 조절기(103) 동작시 스위치 단락에 의한 버스전압으로의 영향을 막기 위해 퓨즈(609)가 직렬로 연결되어 있으며, 버스 전압검출 회로(110)에서 3개의 제어신호(118)가 션트 전압조절기(100)와 보조 션트전압 조절기(103)로 동시에 입력된다.

버스전압 검출회로(110)에서 입력된 제어신호(118)는 션트전압 조절기(100)의 션트 스위치(115)가 모두 동작된 후에도 버스전압이 지속적으로 상승시 보조 션트스위치로서 동작하게 되어 버스전압을 조절하게 된다.보조 션트 전압조절기에서 부하로 사용되는 보조히터의 직접적인 온/오프 동작을 위한 보조히터 구동용 스위치로 FET(601,602,603,604,605,606,607,608)가 사용된다. 보조히터 구동용 스위치는 션트 전압조절기(100)에서 사용되는 션트스위치(115)와 달리 보조히터를 온/오프하기 위해 사용된다. 보조히터(610, 611, 612, 163)의 부주의한 동작을 막기 위해 상위 FET(601, 602, 603, 604)스위치들과 하위 FET(605, 606, 607, 608)스위치가 보조히터(610, 611, 612, 163)의 드레인과 소오스 측에 연결됨으로써 각각의 스위치 구동은 버스 전압으로부터 동일한 신호를 입력받아 상위FET(601, 602, 603, 604)스위치와 하위FET(605, 606, 607, 608)스위치가 동시에 온이 되어야 동작할 수 있도록 한다.

이러한 본 발명의 보조 션트전압 조절기(103)는 전이궤도 동안 혹은 위성 운용 중 실패 된 션트 스위치로 인한 버스전압 상승의 경우 부가적인 션트 능력을 제공하기 위해 추가적인 션트 스위치 회로처럼 동작하게 되며, 스위칭 동작시 버스의 과전압을 안정적이고 효율적으로 제어하기 위해 보조션트 스위치를 4개의 히터(610, 611, 612, 613)로 구성한다.이렇게 구성된 보조히터(610, 611, 612, 613)는 버스전압증가에 따라 4개의 스위치가 순차적으로 동작하여, 4개의 보조히터가 차례로 온 수행시 주 모듈의 스위치 하나 용량의 25%, 50%, 75% 100%의 스위칭 듀티비로 제어하는 효과를 갖게 한다.

또한 보조 션트 스위치의 오동작을 막기 위해 상위 FET(601, 602, 603, 604)스위치와 하위 FET(605, 606, 607, 608)스위치의 제어를 별도로 구성하며, 보조 션트 스위치 실패에 의한 단락 고장시 버스에 영향을 최소화하기 위해 상위스위치와 버스는 퓨즈에 의한 접속하도록 한다.

션트 전압조절기(100)의 주 모듈과 보조 션트스위치 모듈의 제어신호(118)의 신뢰성을 확보하기 위해 동일한 3개의 입력 제어 신호가 주 모듈과 보조모듈에 사용되어 주 모듈 고장시 빠른 대처능력을 갖도록 한다.

이때, 제어 신호는 최대 값, 중간 값, 최소 값을 항상 비교하여 최소 값을 버리고 항상 최대 값과 중간 값을 합하여 2로 나누는 알고리즘을 사용하도록 하여 신호의 신뢰성을 갖도록 한다.

본 발명은 DET(에너지 직접제어)방식을 갖는 인공위성 버스전압조절 장치를 사용함에 있어 전이궤도와 운용궤도에서 션트 스위치의 고장으로 인해 발생되는 버스전압의 불안정성을 추가적인 보조 션트 회로를 통해 장시간 임무수행기간동안 안정된 전압을 공급할 수 있다는 장점이 있다.

이외에도 간단한 상위전압 제한회로를 통해 보조션트 스위치와 연동하여 동작하는 방법과 4개의 보조 히터를 순차적으로 스위칭 하는 제어 알고리즘을 사용함으로써 이전의 하드웨어의 복잡성을 없애고, 각 스위치 모듈별 복잡한 리던던시(redundancy) 회로를 제거할 수 있어 향후 인공위성 션트전압 조절장치 개발시 위성의 무게와 발사비용을 줄일 수 있는 효과를 갖는다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 인공위성 버스전압 조절을 위한 병렬 구성형 보조션트스위치 회로의 전체 시스템 구성을 도시한 것이다.

도 2는 본 발명의 태양전지 어레이 출력 I-V 특성을 도시한 것이다.

도 3은 본 발명의 버스 전압 오차검출 및 제어 회로의 구성을 도시한 것이다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 병렬 구성형 보조 션트 전압 조절기 회로의 구성을 도시한 것이다.

[도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명]

100 : 태양전지 어레이 션트 전압조절기

101 : 태양전지 어레이 션트 전압조절기의 첫 번째 단위모듈

102 : 태양전지 어레이 션트 전압조절기의 N 번째 단위모듈

103 : 태양전지 어레이 션트 전압조절기

110 : 버스 전압 검출 회로

111, 112 : 태양전지 어레이

117 : 위성 버스 전압

118 : 버스 전압 검출 오차 신호

301 : 버스전압 오차검출회로 첫 번째 단위모듈

302 : 버스전압 오차검출회로 두 번째 단위모듈

303 : 버스전압 오차검출회로 세 번째 단위모둘

Claims (8)

1. 위성의 버스전압조절을 위해 DET(에너지 직접제어) 방식을 사용함에 있어서,

   다수의 모듈로 구성된 태양전지 어레이 회로의 각 모듈에 병렬로 연결되어 상기 태양전지 어레이로 전력을 공급/차단하기 위한 션트 스위치의 온/오프 동작을 제어하여 버스에 연결된 상기 태양전지 어레이 회로의 개수를 조절함으로써 버스전압을 조절하는 션트 전압조절기;

   상기 션트전압 조절기의 주 모듈 이외의 버스에 병렬로 접속되고 4개의 보조히터로 구성된 보조션트 전압조절기;

   상기 션트전압 조절기에서 출력되는 버스전압을 검출하는 버스전압 검출회로; 및

   상기 버스전압 검출회로에서 검출된 버스전압 검출값을 션트 전압조절기의 주 모듈과 보조션트 전압조절기에 인가시켜 상기 션트스위치가 온/오프 동작되도록 하며, 상기 버스전압 검출회로에서 검출된 버스전압의 증감에 따라 상기 보조히터가 연동되어 작동되도록 하는 스위치 구동회로

   를 포함하는 인공위성 버스전압 조절을 위한 병렬 구성형 보조션트 스위치 회로.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 보조션트 전압조절기 모듈 내에 설치된 4개의 스위치 용량과 션트 전압조절기의 션트 스위치 1개의 모듈과 동일한 용량으로 구성하여 주 스위치 실패 시 대체할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 인공위성 버스전압 조절을 위한 병렬 구성형 보조션트 스위치 회로.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 보조션트 전압조절기는, 상기 4개의 보조 히터를 순차적으로 스위칭하여 상기 션트 전압 조절기 모듈의 스위치 듀티비가 25%, 50%, 75%, 100%와 같이 동작되게 하여 버스전압을 일정하게 유지시키도록 하는 것을 특징으로 하는 인공위성 버스전압 조절을 위한 병렬 구성형 보조션트 스위치 회로.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 스위치 구동회로는, 상기 버스전압 검출회로에서 버스전압을 검출하여 얻어진 동일한 3개의 제어신호가 션트 전압조절기와 보조션트 전압조절기에 각각 입력되도록 하고, 상기 버스전압 검출회로에서 입력된 3개의 오차신호 중 최소값을 버리고 최대 값과 중간 값으로 평균값을 구하여, 상기 평균값을 상기 션트스위치의 제어신호로 사용함으로써 버스전압이 조절되도록 하는 것을 특징으로 하는 인공위성 버스전압 조절을 위한 병렬 구성형 보조션트 스위치 회로.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 스위치 구동회로는,

   상기 버스전압 검출회로에서 검출된 버스 전압을 수신하기 위해 상기 각 션트 스위치의 입력단에 설치된 수신회로;

   상기 수신회로에 전달된 버스 전압을 기준전압과 비교하여 오차신호를 발생하는 신호발생회로; 및

   상기 신호발생회로에서 발생된 오차신호를 입력받아 상기 션트 스위치의 온/오프 개수를 결정하기 위한 최소값, 중값값, 최대값으로 이루어진 제어신호를 생성하여 상기 션트전압 조절기와 보조션트 전압 조절기로 동시 입력시키는 제어회로

   를 포함하는 인공위성 버스전압 조절을 위한 병렬 구성형 보조션트 스위치 회로.
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 보조 션트전압 조절기는, 상기 션트 스위치 단락에 의한 버스전압으로의 영향을 막기 위해 퓨즈가 직렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 인공위성 버스전압 조절을 위한 병렬 구성형 보조션트 스위치 회로.
7. 제 1 항에 있어서,

   상기 보조 션트전압 조절기는 상기 션트 스위치가 모두 동작된 후에도 버스전압이 상승되는 경우에 4개의 보조히터를 순차적으로 온 동작시키는 것을 특징으로 하는 인공위성 버스전압 조절을 위한 병렬 구성형 보조션트 스위치 회로.
8. 제 7 항에 있어서,

   상기 보조 션트전압 조절기는 상기 보조히터의 온/오프 동작을 제어하기 위해 보조히터 구동용 스위치를 사용하는 것을 특징으로 하는 인공위성 버스전압 조절을 위한 병렬 구성형 보조션트 스위치 회로.