Satellite DC/DC power converters are required to have a high reliability and to comply the EMC requirements. The high reliability requirement limits the DC/DC converter’s design in terms of its structure and the number of applicable FET switches and diodes, and the heritage topologies that have been verified for a long time in these environments can be applied to the satellite DC/DC converter. Moreover, large EMI filters have been inevitably needed for the satellite DC/DC converter to meet the EMC requirement. In addition, due to the size and weight limitation of the satellite electronic unit, the satellite DC/DC converter should have a high-power-density design. However, EMI filter usually occupies large portion of the DC/DC converter board. The EMI noise is directly related with the level of di/dt and the pulsating ripple of input current waveform. Therefore, it is beneficial to minimize the input current ripple significantly for the smaller sized EMI filter. The conventional ACF topology has a zero-voltage-switching capability, better EMI performance and more reduced switching loss than other heritage topologies. However, it has still pulsating input current waveform with high di/dt level and high switch voltage stress, which is disadvantageous in terms of the EMI filter size and satellites with high input voltage.
In this dissertation, a new ACF topology with a continuous input current waveform is proposed to overcome these drawbacks. In addition, voltage stresses of main switches are relieved by applying a two-series connected structure. This two-series structure will enhance the reliability of FET switches which is crucial for high-voltage satellite applications. Therefore, the proposed DC/DC converter topology would be more suitable for high-voltage satellite applications with stringent requirements of reliability, EMC, and high-power density.
인공위성을 구성하는 전자장비들은 인공위성의 특성으로 인해 소형화, 경량화가 요구된다. 각 전자장비들은 인공위성의 1차 전압인 버스 전압에 대해 내부 보드용 저전압으로 변환하는 2차 전력변환기를 장착하기 때문에, 인공위성의 전자장비에 반드시 필요한 2차 전력 변환기 또한 소형 경량화 및 고전력밀도화가 강력히 요구되고 있다. 이와 함께, 인공위성용 컨버터 설계에는 우주 환경에 대한 높은 신뢰성 확보, EMI규제에 대한 적합성을 확보하고 있어야 한다. 높은 신뢰성을 위해 인공위성용 컨버터에는 오랫동안 충분히 검증되어온 토폴로지 즉 헤리티지 토폴로지만을 적용하여 설계하고 있다. 또한, FET 스위치와 같은 전력 반도체는 우주 방사능에 의해 고장 날 수 있으며, 이러한 고장 확률은 스위치 전압 스트레스를 저감할수록 낮아진다. 한편, 스위칭 방식의 컨버터의 경우, 불연속적인 입력 전류 파형을 가지며, 이것이 EMI 노이즈의 주된 원인으로 작용한다. 따라서, 인공위성에 적용되는 컨버터에는 EMI 필터 장착이 필수적이며 이로 인해 전체 컨버터의 크기 저감에는 한계가 있다.
본 학위논문에서는 컨버터 입력단의 전류 리플을 제거하기 위해 연구된 방법을 분석하고, 이를 인공위성용 컨버터에 적용하기 위해 새로운 능동-클램프-포워드 토폴로지를 제안한다. 제안된 연구는 컨버터의 입력 전류 리플을 저감하여 EMI 성능을 개선함으로서 보다 작은 크기의 EMI 필터를 적용할 수 있어서 컨버터 크기의 소형화에 유리하다. 이와 함께, 주 스위치의 전압 스트레스를 저감하는 설계를 제안하였다. 따라서, 본 학위논문에서 제안된 연구의 개념을 통해 최근 요구되고 있는 고입력 버스 전압용 고용량 인공위성용 컨버터의 소형 경량화를 획득할 수 있다.
