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無人機(UAV)的電源系統及電源方案
來源:中華ic網 www.hankezhijia.cn | 作者:中華ic網整理 | 發表于:2015-12-11
高度靈活性和低復雜性可以使電源系統設計更加容易,并讓無人機設計人員專注于無人機設計的其他部分,而不是花太多時間在電源系統設計;它縮短了設計時間,并使設計變得不那么復雜。為了利用以上提到的優勢,Vicor模塊電源解決方案可以用最全面產品組合的高效率、高密度、配電架構,為性能關鍵的無人機應用提供完整的電源解決方案。

利用Vicor模塊化電源解決方案,可以使無人機電源系統設計具有體積小、重量輕和高密度的特點,攜帶更多有效載荷和執行更多任務。

同時,Vicor將提供創新、高性能和良好品質的電源元件/解決方案,為客戶提供競爭優勢。

摘要:
在設計針對無人機(UAV)的電源系統時,設計人員所關心的參數是尺寸(S)、重量(W)、功率密度(P)、功率重量比、效率、熱管理、靈活性和復雜性。 

體積小、重量輕、功率密度高(SWaP)可以讓無人機攜帶更多的有效載荷,飛行和續航時間更長,并完成更多的任務。

更高的效率可以盡可能利用能源效率,最大限度地提高續航時間和飛行時間,也使熱管理盡可能容易,因為即使是更少的功率損耗都會傳遞熱量。

 

高度靈活性和低復雜性可以使電源系統設計更加容易,并讓無人機設計人員專注于無人機設計的其他部分,而不是花太多時間在電源系統設計;它縮短了設計時間,并使設計變得不那么復雜。

 

為了利用以上提到的優勢,Vicor模塊電源解決方案可以用最全面產品組合的高效率、高密度、配電架構,為性能關鍵的無人機應用提供完整的電源解決方案。

 

無人機的種類:
無人機可以從遠程位置進行控制,或基于預先配置來自動運行。無人機有許多應用,從取保候審(recognizance)到消防,都可以由不同類別的無人機實現。


無人機和種類

近距離無人機 短程無人機 耐力型無人機
范圍 50公里 200公里 >200公里
耐力 30分鐘至2小時 8至10小時 >24小時
重量 2-10磅 <10,000磅 <229,000磅
速度
<300mph <454mph
海拔高度 <1000英尺 <50,000英尺 <65,000英尺
有效載荷
<3,800磅 <1,900磅


無人機的電源:
根據子系統的負載要求,無人機有幾種可供選擇的電源。
鋰離子電池是一種常用的電源,由于體積小和成本較低,是100瓦和運行數天的無人機的理想選擇。


為了有更高的能量密度和功率密度,還可以選擇其他替代電源,包括太陽能電池系統、燃氣輪機、柴油發電機等。

 

無人機的典型電源鏈:

無人機的典型電源鏈


圖1(UAV電源鏈)

 

在典型無人機電源鏈中,有一個基于渦輪的發電機提供3相ac電源,通過整流器轉換為270V dc,然后通過隔離式DC-DC轉換器轉換為48V dc或28V dc。

 

系統和數據鏈路,其中每一個都需要一個3.3V、5V和12V等的電壓范圍。因此,下游DC-DC轉換器或niPoL(非隔離式負載點)需要為負載提供28V或48V dc母線所需的電壓。

 

為了實現高效率,高電壓DC母線(270V、48V或28V)沿著無人機的電源鏈進行優先配電。由配電引起的功率損耗基于I2R(R為線電阻),由于較高的電壓可以最大限度地降低損耗,從而降低了電流;尤其是大型無人機,還有很長的配電長度。

 

在安全方面,在高電壓DC母線(270V)和低電壓DC母線之間需要進行隔離,當低于60V的電壓與高電壓隔離開時,就符合了SELV(安全特低電壓)要求。

 

基于圖1所示的電源鏈,有兩級DC-DC轉換,由于穩壓在下一級完成,其中第一級需要隔離和非穩壓的DC-DC轉換器,而由于隔離在上游完成,第二級需要穩壓和非隔離的DC-DC轉換器。為了獲得更高效率和更低成本的解決方案,隔離和穩壓沒有在DC-DC轉換器的每個級重復。

 

270V至28V DC-DC轉換:

270V至28V DC-DC轉換

圖2


除了整流器,還有非隔離和非穩壓的270V dc,通過MIL-COTS BCM(母線轉換器模塊)和MIL-COTS PRM(前置穩壓器模塊)轉換到負載用的一個經隔離和穩壓的電壓,如28V。

 

GaAs發射器:
270V至28V電源鏈的應用之一是GaAs發射器,如圖3所示。

GaAs發射器電源鏈

圖3(GaAs發射器電源鏈)


有效載荷、GaAs發射器都需要超過200瓦的功率。為了滿足電力需求,需要將BCM模塊和PRM模塊并聯至電源陣列,以提高輸出功率。下面一段談談如何并聯具有均流能力的BCM和PRM。


BCM和PRM模塊可以配置超過1千瓦的電源陣列。

表1簡要說明了BCM和PRM的規格,以便可以幫助了解它們在270V至28V轉換的電源鏈中扮演了什么角色。

BCM和PRM的規格


BCM模塊是一個隔離和非穩壓的DC-DC轉換器模塊,可通過一個固定比、K系數為SELV輸出提供高輸入電壓。對于這個特定器件(MBCM270x450M270A00),K系數為1/6,因此輸出電壓始終為輸入電壓的1/6,270V輸入有45V輸出。

 

PRM模塊是一個為負載提供穩壓的穩壓和非隔離的DC-DC轉換器模塊。由于PRM輸出電壓可以調整,針對GaAs發射器它可以調低至28V。

GaAs發射器解決方案的效率

圖4(GaAs發射器解決方案的效率)

BCM是一個隔離和非穩壓的DC-DC轉換器。
PRM是一個穩壓和非隔離的DC-DC轉換器。


在上一段已經提到,隔離和穩壓并沒有由DC-DC轉換的每個級,或電源鏈中的具體DC-DC轉換器進行重復,為的是獲得更高的效率。


因此,通過使用BCM和PRM模塊,270V至28V DC-DC轉換的整體效率達到了93.12%。

 

并聯BCM和PRM的技術:


并聯BCM

圖5a(并聯BCM)

并聯BCM

圖5b(并聯BCM)

 

在并聯BCM模塊的同時,通過阻抗匹配而不是并聯信號實現均流,很容易連接每個BCM模塊的輸入和輸出,如圖5a和5b所示。并聯BCM應考慮以下幾點。


1. 通過對稱布局完成輸入和輸出互連阻抗匹配,如圖5b所示。


2) 均勻冷卻使具體BCM模塊溫度彼此接近。


3) 每個BCM模塊的啟用/禁用信號(PC引腳)都需要在同一時間連接來啟動每個模塊。

并聯PRM

圖6(并聯PRM)

 

為了并聯PRM模塊(圖6),需要使用并聯信號(PR引腳)來實現各個模塊的均流,同時,具體模塊的啟用/禁用信號(PC引腳)需要連接來同時啟動所有模塊。如圖6所示,一個PRM模塊可設置為一個電源陣列中的“主”,以驅動其他負責反饋和穩壓的“從”PRM模塊。

 

正弦振幅轉換器(Sine Amplitude ConverterTM ,SACTM)拓撲結構:
母線轉換器模塊(BCM)采用SAC拓撲結構,從而實現了卓越的效率和功率密度。

SACTM 轉換器

圖7(SACTM 轉換器)

 

SAC拓撲結構是BCM模塊核心中的一個動態、高性能引擎。
SAC是基于變壓器的串聯諧振拓撲結構,它在等于初級側儲能電路諧振諧振頻率的固定頻率下工作。初級側的開關FET被鎖定在初級的自然諧振頻率,在零交叉點來開關,從而消除了開關中的功耗,提高了效率并大大減少了高階噪聲諧波的產生。初級的諧振回路是純正弦波(圖7所示),從而可降低諧波含量,提供了更干凈的輸出噪聲頻譜。由于SAC的高工作頻率,可使用較小的變壓器來提高功率密度和效率。

       

ZVS升壓-降壓拓撲結構:

PRM(前置穩壓器模塊)采用一個專利升壓-降壓穩壓器控制架構,以提供高效率升壓/降壓穩壓。
 

圖8,ZVS升壓-降壓

圖8(ZVS升壓-降壓)

 

PRM在固定開關頻率下工作,通常在1 MHz(最大1.5 MHz),它還具有提高輸出功率的并聯能力。ZVS升壓-降壓開關順序是相同的,無論它是降壓還是升壓。


ZVS升壓-降壓拓撲結構有四個級。
- Q1和Q4導通為變壓器儲存能量,然后是ZVS過渡的Q3導通
- Q1和Q3導通為從輸入到輸出提供路徑,然后是ZVS過渡的Q2導通
- Q2和Q3對續流級導通,然后是ZVS過渡的Q4導通
- 在箝位階段Q2和Q4導通,然后是ZVS過渡的Q1導通


完成4級之后,就是一個循環。

 

28V / 270V輸入源到多路輸出DC-DC轉換:
     

圖9(270V / 28V到多路輸出)

圖9(270V / 28V到多路輸出)

 

由于有效載荷,如航空、數據鏈路、雷達、飛行控制系統都需要一個15V、12V、5V、3.3V的電壓范圍,需要下游DC-DC轉換器或niPoL提供所需電壓作為有效載荷的多路輸出。

 

除了整流器,還有非穩壓和非隔離的270Vdc,這個MIL-COTS DCM DC-DC轉換器和Picor ZVS降壓穩壓器可提供經隔離和穩壓的多路輸出。

 

在第一級,MDCM DC-DC將一個非穩壓輸入(28V或270V)轉換為一個經隔離和穩壓的28V,然后通過下游非隔離式ZVS穩壓器轉換為多路輸出。

 

在后一級,Coop Power ZVS降壓穩壓器將28V轉換為負載所需的電壓。

 MIL-COTS DCM DC-DC轉換器和Picor ZVS降壓穩壓器

表2

圖10(多路輸出解決方案的效率)

圖10(多路輸出解決方案的效率)

 

DCM是一個隔離和穩壓的DC-DC轉換器。


ZVS降壓穩壓器是一個穩壓和非隔離的DC-DC轉換器。
在上一段已經提到,為了有更高的效率,不會重復隔離和穩壓。


雖然穩壓是由DCM和ZVS降壓穩壓器重復進行的,由于ZVS降壓穩壓器的高效率,從高電壓到所需電壓的整體效率可以達到高于90%。

ChiP——轉換器級封裝:


圖11(ChiP等效電路熱模型)

圖11(ChiP等效電路熱模型)

 

DCM DC-DC轉換器通過突破性封裝技術——轉換器級封裝(ChiP)技術進行封裝。


為了實現更高的功率效率、密度和設計靈活性,需要功率元件封裝技術的持續改進,因此,ChiP的推出優化了電氣和熱性能。


ChiP產品的設計在PCB兩面都有功率元件,可減少由于寄生的損耗,通過整個封裝均勻徹底地散熱,并利用了頂部和底部表面散熱。


ChiP產品封裝在熱增強型模壓化合物中,降低了溫差,為便于使用熱管理配件,提供了平整的模塊頂部和底部表面,如散熱器、冷板、熱管等。

 

ZVS降壓拓撲結構:
如圖11所示,除了一個連接在輸出電感器兩端的附加箝位開關,ZVS降壓拓撲結構與傳統降壓轉換器相同。增加的箝位開關允許將能量存儲在輸出電感器中,用來實現零電壓開關。

圖12(ZVS降壓拓撲結構)

圖12(ZVS降壓拓撲結構)

 

圖12顯示了ZVS降壓拓撲結構的時序圖,它主要由三個狀態組成,如下所示。


- Q1導通階段
o 假設Q1在諧振過渡后的近零電壓開啟。當D-S電壓幾乎為零時,Q1在零電流開啟。MOSFET和輸出電感器中的電流斜升,準時達到由Q1決定的峰值電流。在Q1導通階段,能量存儲在輸出中,并為輸出電容器充電。在Q1導通階段,Q1中的功耗是由MOSFET導通電阻決定的;開關損耗可以忽略不計。


- Q2導通階段
o Q1迅速關閉,接著是一個很短時間的體二極管導通,這增加了可以忽略不計的功耗。接下來,Q2開啟,存儲在輸出電感器中的能量被傳送到負載和輸出電容器。當電感器電流達到零時,同步MOSFET保持足夠長的時間,在輸出電感器中存儲一些來自輸出電容器的能量。電感器電流為負值。


- 箝位階段

  • 一旦控制器已確定有足夠的能量存儲在電感器中,同步MOSFET關閉,箝位開關開啟,箝位Vs節點至輸出電壓。箝位開關隔離輸出電感器電流與輸出,同時以幾乎無損的方式用電流來循環存儲的能量。在箝位階段,由輸出電容器提供的輸出在該階段持續很短時間。
  • 當箝位階段結束時,箝位開關被打開。輸出電感器中儲存的能量與Q1和Q2輸出電容產生諧振,導致Vs節點對輸入電壓振鈴。
  • 這個振鈴對Q1的輸出電容放電,減少了Q1的米勒電荷,并為Q2的輸出電容充電。當Vs節點幾乎等于輸入電壓時,這允許以無損方式方式開啟Q1。
圖13(ZVS降壓時序圖)


圖13(ZVS降壓時序圖)

 

無人機的軍用標準
在一些無人機應用中,需要滿足MIL-STD-461 MIL-STD-704/1275等軍用標準,分別代表EMI和瞬態。


Vicor還提供濾波模塊,以及兼容Vicor DC-DC轉換器來滿足標準要求。


表3顯示了Vicor濾波模塊選項,它可以符合特定軍用標準,同時兼容一起使用的Vicor DC-DC模塊。

Vicor濾波模塊選項,它可以符合特定軍用標準,同時兼容一起使用的Vicor DC-DC模塊

表3

 

無人機數據鏈的電源解決方案:

無人機數據鏈的電源解決方案

圖13(無人機數據鏈解決方案)

 

對于無人機數據鏈解決方案,Picor濾波模塊(MPQI-18)和DC-DC模塊(Cool-Power PI31xx)可用來提供針對12V和15V的50W(總共100W),以符合MIL-STD-461E EMI要求。


MQPI-18是一個采用LGA封裝(25×25×4.5mm,2.4G)的濾波模塊,用來滿足MIL-STD-461E的EMI要求。


MIL級Cool-Power DC-DC轉換器采用PSiP(22×16.5×6.7mm,7.8g)封裝,用來為所需電壓提供寬范圍輸入(16-50V)。


采用Picor濾波模塊和DC-DC轉換器模塊的解決方案可以兼容MIL-STD461E,而不是大尺寸的被動元件,可實現無人機數據鏈及其他設備的高密度電源解決方案。

 

結論:
利用Vicor模塊化電源解決方案,可以使無人機電源系統設計具有體積小、重量輕和高密度的特點,攜帶更多有效載荷和執行更多任務。

同時,Vicor將提供創新、高性能和良好品質的電源元件/解決方案,為客戶提供競爭優勢。

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