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繫留型無人機供電設計指南
 

【作者: Mark Patrick】   2020年08月13日 星期四

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繫留無人機應用:

繫留無人機和普通無人機市場正以驚人速度增長,預計2020年增長速度將達到61%[1],這種快速增長背後原因是由於需要持久性空中平臺的應用和用戶數量持續增加。與運作時間受限的普通無人機不同,繫留型無人機不需要攜帶電源,因而能夠增大有效負載。


在大多數天氣條件下,它們可以在高達200米高空保持飛行達24小時,具備很高耐力水準。繫留型無人機應用包括傳統安全性、情報收集和監視以及其它用例,它們的長時間飛行能力使其非常適合在人道主義危機期間提供應急通訊網路,監視大型工業園區內的消防以及拍攝大型戶外運動賽事等等。


隨著繫留型無人機應用不斷擴展,其技術挑戰也隨之增加。在無人機中整合更多功能的需求也增加了有效載荷重量,透過擴大繫留型無人機的運作高度可以得到一些益處,但同時也帶來了更大繫繩纜線阻力。同樣,增加飛行時間要求加強型安全監控,提供更多備用電源,並需要提供降落傘等安全功能。


繫留無人機供電技術挑戰

為繫留型無人機供電具有一些技術挑戰。UAV中需要功率最多的幾個主要部分是轉子驅動馬達,控制電子設備和有效載荷,其中馬達驅動在可用功率預算中占最大比例。由於纜線具有電阻,在足夠長纜線上傳輸足夠高功率會導致傳輸損耗。為了獲得最大有效載荷,需要將纜線阻力保持在最小,這對纜線導體厚度施加了限制。但較細的導體會增大纜線電阻,伴隨運作高度的增加,纜線電阻會變得越來越重要。


為了達到無人機功率傳輸要求,保持低配電損耗的唯一可行選擇是沿繫留纜線傳輸高電壓,並在無人機內將功率轉換為所需水準。由於重量為關鍵限制因素,功率轉換元件也需要輕量化。使用高直流電壓能夠降低在繫留纜線中的電流(I=P/V),從而允許採用直徑較小的繫留纜線,並降低功率(I2R)損耗。當下,業界的發展趨勢正在朝向在繫留纜線中傳輸高達400VDC電壓,並在無人機中使用一個或多個DC/DC轉換器為轉子馬達和應用電路供電。


選擇具有高壓輸入的DC/DC

能夠提供DC/DC轉換器的供應商有許多,但是要找到一個可以支援高達400VDC電壓輸入的轉換器,則大大縮小可選範圍。轉換器還需要具有寬轉換率,例如,需要能夠轉換到48VDC輸出。


適用於此任務的一個DC/DC轉換器示例是Vicor BCM6123系列高電壓匯流排轉換器模組。


BCM6123系列具有固定轉換率,稱為K因數,並且效率很高,通常可達到98%。例如,BCM6123xD1E5135T01支援高達400VDC輸入電壓,K因數為1/8,並能夠提供高達1750瓦功率。具備固定轉換率的轉換器(也稱為匯流排轉換器)通常不具備輸出電壓調節功能,然而這可以根據需要透過其他下游DC/DC轉換器來實現。由於固定轉換率的轉換器不包含穩壓元件,因此它們能夠具備更高效率,並具有更高功率密度。產生更少廢熱也簡化了熱管理需求,可以進一步減輕重量。



圖1 : 固定轉換率的轉換器可以對輸入電壓進行升壓和降壓,並且適合於雙向功率轉換。(source:Vicor)
圖1 : 固定轉換率的轉換器可以對輸入電壓進行升壓和降壓,並且適合於雙向功率轉換。(source:Vicor)

圖1所示為一個隔離式固定轉換率轉換器,其K因數為1/12。籍由Vicor BCM系列的設計特性,它們可用於升壓或降壓。請注意,如果需要反向操作以從低壓電源產生高壓,則必須首先以正常正向模式(forward mode)啟動轉換器。


在此例示中,400VDC輸入實現33VDC輸出。同樣,低壓側33VDC輸入可以產生400VDC輸出。Vicor BCM系列固定轉換率轉換器可以平行配置以滿足更高輸出功率需求,也可以串列配置以提供更高輸出電壓。


所有Vicor BCM系列均使用正弦振幅轉換器(SAC)拓撲,以提供高水準轉換效率。大多數DC/DC轉換器拓撲架構使用轉換器脈波寬度調變(PWM)開關驅動電路任務週期來控制次級功率輸出。為了將開關元件損耗降到最低,PWM頻率一般不超過幾百kHz。



圖2 : 正弦振幅轉換器簡化電路。(source:Vicor)
圖2 : 正弦振幅轉換器簡化電路。(source:Vicor)

SAC是一種基於變壓器的諧振拓撲架構。開關轉換器操作在初級側LC等效電路的固定諧振頻率,在零交叉點執行開關可消除開關器件功率損耗,從而顯著提高轉換效率,並減少高階雜訊諧波產生。與透過使用方波驅動訊號改變PWM任務週期不同,SAC轉換器使用更高頻率(通常為幾個MHz),並調整驅動訊號振幅以適應增大的輸出負載。使用較高開關頻率還有助於減小變壓器尺寸,進而減輕重量。


傳輸線影響

繫留纜線之電路特性需要在設計過程中進行研究,關鍵因素是每單位長度電阻、電容和電感。


較短纜線可充當大容量LCR電路,但較長繫留纜線更像是具有分散式LCR屬性的傳輸線。透過繫留纜線模擬可以幫助應對傳輸線影響,尤其是在解決最初接通期間輸入浪湧方面。正確使用輸出濾波器來終止繫留纜線可以減輕輸入電湧對無人機影響。一般而言,如果電源尖峰上升時間超過線路延遲十倍,則可將繫留纜線視為較短。


為無人機供電實際用例

圖3所示為無人機高壓直流傳輸解決方案的簡化功能圖。無人機400VDC電源使用四個BCM6123固定轉換率匯流排轉換器提供隔離,並生成48VDC匯流排電源。匯流排電壓直接為轉子馬達供電,兩個DCM DC/DC轉換器將48VDC匯流排電壓轉換為獨立的12VDC和24VDC穩壓電源,以便為控制和遙測電子設備以及無人機攝影鏡頭供電。



圖3 : 透過400VDC繫留纜線為無人機供電的示例應用。(source:Vicor)
圖3 : 透過400VDC繫留纜線為無人機供電的示例應用。(source:Vicor)

透過這種配置,可實現功率密度為2750W/in3的機載5kW電源,而總功率轉換器重量(4個BCM和2個DCM)僅為222克。


BCM轉換器的雙向功能還使其適合用作無人機地面電源,48VDC電池供電將能夠為繫留纜線電源提供400VDC。


結論

高電壓、固定轉換率匯流排轉換器是一種為繫留型無人機供電的高效方式,具有最小散熱片要求,節省空間,同時具備重量很輕的特性,使無人機設計工程師能夠最大程度地提高有效負載能力,並減少繫留纜線阻力。 同樣,正弦振幅轉換器之低EMI特性減小了對額外笨重濾波器元件的要求,從而進一步提高了無人機的有效載荷能力。


(本文作者Mark Patrick任職於貿澤電子)


參考資料


[1]資料來源:Technavio


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