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無人機設計解密
採用DC-DC模組的UAV電源解決方案

【作者: Alan Lau】   2016年02月25日 星期四

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在設計無人機(UAV)用的電源系統時,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、靈活性和複雜性。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負載,飛行和續航時間更長,並完成更多的任務。


更高的效率可以盡可能利用能源效率,最大限度地延遲續航時間和飛行時間,也可使熱管理盡可能容易,因為即使是較少的功率損耗也會導致熱傳遞。高靈活性和低複雜性不僅可以使電源系統設計更加容易,而且還可讓無人機設計人員專注于無人機設計之其他部分,而不是在電源系統設計上花大量的時間;它不僅可節省設計完成時間,還可降低設計複雜性。


為了充分利用上述優勢,Vicor模組電源解決方案可通過最全面產品組合的高效率、高密度、配電架構,為效能關鍵性無人機應用提供完整的電源解決方案。


無人機的種類:

無人機可以從遠端位置進行控制,或基於預編程組態自動運行。無人機有許多應用,從具結到消防,都可以由不同類別的無人機來實現。


表1 無人機的種類

近距離無人機

短程無人機

耐久型無人機

飛行半徑

50公里

200公里

超過200公里

飛行半徑

50公里

200公里

超過200公里

續航時間

30分鐘至2小時

8至10小時

超過24小時

重量

2-10磅

超過10,000磅

不足229,000磅

飛行速度

-

300 mph以下

454 mph以下

高度

1000英尺以下

50,000英尺以下

65,000英尺以下

有效負載

-

3,800磅以下

1,900磅以下


無人機的電源:

根據子系統之負載要求,無人機有幾個電源選項。


鋰離子電池是一種常用的電源,體積較小、成本較低,因此是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,還可以選擇其他的備選電源,包括太陽能電池系統、燃氣輪機以及柴油發電機等。


無人機的典型電源鏈:


圖1 : 無人機電源鏈
圖1 : 無人機電源鏈

在典型的無人機電源鏈中,有一個基於渦輪的發電機提供3相AC電源,其可通過整流器轉換為270VDC電源,然後通過隔離式DC-DC轉換器轉換為48VDC電源或28VDC電源。


無人機上有許多有效負載,包括雷達、影像、航空電子、導航、制導、飛控系統和數據傳輸鏈路,其中每一個都需要一個3.3V、5V及12V等的電壓範圍。因此,下游DC-DC轉換器或非隔離式負載點(niPoL)都需要為所需的負載電壓提供28V或48V DC母線。


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。配電引起的功率損耗係以I2R(R線阻)為主,由於提高電壓可以最大限度地降低配電損耗,因而可減少電流;對於大型無人機更是如此,因為有很長的配電長度。


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,當低於60V的電壓與高電壓隔離開時,就符合安全超低電壓(SELV)要求。


根據圖1所顯示的電源鏈,有兩級DC-DC轉換,由於穩壓在下一級完成,其中第一級需要隔離之非穩壓DC-DC轉換器,而由於隔離在上游完成,第二級則需要穩壓之非隔離DC-DC轉換器。為了實現更高的效率和更低的解決方案成本,隔離和穩壓沒有在DC-DC轉換器的每一級重複。


270V至28V DC-DC轉換:


圖2
圖2

除了整流器,還有非隔離之非穩壓270VDC電壓,藉由MIL-COTS BCM(母線轉換器模組)和MIL-COTS PRM(前置穩壓器模組)轉換到負載用的一個隔離、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,其方框圖如圖3所示。



圖3 : GaAs發射器電源鏈
圖3 : GaAs發射器電源鏈

有效負載、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模組和PRM模組並聯至電源陣列,以提高輸出功率。下面一段談談如何並聯具有均流能力的BCM和PRM。


BCM和PRM模組可以組態超過1千瓦的電源陣列。


BCM模組是一款隔離的非穩壓DC-DC轉換器模組,可藉由一個固定比K係數為SELV輸出提供高電壓輸入。就這個特定零部件(MBCM270x450M270A00)而言,K係數為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模組是一款穩壓的非隔離DC-DC轉換器模組,可為負載提供穩壓的電壓。由於PRM輸出電壓可以微調,因此它可針對GaAs發射器調低至28V。



圖4 : 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是一款隔離的非穩壓DC-DC轉換器。


PRM是一款穩壓的非隔離DC-DC轉換器。


上一段已經提到,隔離和穩壓並沒有由DC-DC轉換的每一級、或電源鏈中的單個DC-DC轉換器重複,為的是獲得更高的效率。


因此,藉由使用BCM和PRM模組,270V至28V DC-DC轉換的整體效率可達到93.12%。


並聯BCM和PRM的技術:


圖5
圖5

在並聯BCM模組的同時,很容易連接每個BCM模組的輸入和輸出,從而可藉由阻抗匹配(而不是並聯信號)來實現均流,如圖5a和5b所示。並聯BCM應考慮以下幾點。


1.藉由對稱佈局完成輸入輸出互連阻抗匹配,如圖5b所示。


2.均勻冷卻使單個BCM模組溫度彼此接近。


3.每個BCM模組的啟用/禁用信號(PC引腳)都需要連接起來,在同一時間啟動每個模組。



圖6 :  並聯PRM
圖6 : 並聯PRM

要並聯PRM模組(圖6),需要使用並聯信號(PR引腳)來實現各個模組的均流,同時,具體模組的啟用/禁用信號(PC引腳)需要連接起來,以便同時啟動所有模組。如圖6所示,一個PRM模組可設置為一個電源陣列中的「主」,以驅動其它負責回饋和穩壓的「從」PRM模組。


正弦振幅轉換器(Sine Amplitude Converter,SAC)拓撲結構:

母線轉換器模組(BCM)採用SAC拓撲結構,從而可實現優異的效率和功率密度。



圖7 : SAC轉換器
圖7 : SAC轉換器

SAC拓撲結構是一個處於BCM模組核心位置的動態、高效能引擎。


SAC是基於變壓器的串聯諧振拓撲結構,在等於初級側儲能電路諧振頻率的固定頻率下工作。初級側的開關FET鎖定為初級的自然諧振頻率,在零交叉點開關,從而可消除開關中的功耗,提高效率,顯著減少高階雜訊諧波的產生。初級諧振回路是純正弦曲線(圖7所示),從而可減少諧波內容,提供更乾淨的輸出雜訊頻譜。由於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降壓-升壓拓撲結構:

PRM(前置穩壓器模組)採用一個專利降壓-升壓穩壓器控制架構來提供高效率升壓/降壓之穩壓。



圖8 :  ZVS降壓-升壓
圖8 : ZVS降壓-升壓

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


ZVS降壓-升壓拓撲結構有四級。


- Q1和Q4導通可在變壓器內儲存能量,然後藉由Q3進行ZVS轉變


- Q1和Q3導通可提供從輸入到輸出的路徑,然後藉由Q2進行ZVS轉變


- Q2和Q3導通可進入自由輪轉級,然後藉由Q4進行ZVS轉變


- 在箝制階段Q2和Q4導通,可藉由Q1進行ZVS轉變


- 完成4級之後,就是一個循環。


28V / 270V輸入源到多路輸出DC-DC轉換:

航空、資料鏈、雷達以及飛控系統等有效負載都需要包括15V、12V、5V、3.3V在內的廣泛電壓,因此需要下游DC-DC轉換器或niPoL提供所需的電壓作為有效負載的多路輸出。


除了整流器,還有非穩壓、非隔離270VDC電源,其可藉由MIL-COTS DCM DC-DC轉換器和Picor ZVS降壓穩壓器提供給隔離、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)轉換為一個隔離、穩壓的28V電壓,然後藉由下游非隔離式ZVS穩壓器轉換為多路輸出。


在後一級,Coop Power ZVS降壓穩壓器將28V轉換為負載所需的電壓。


DCM是一款隔離、穩壓的DC-DC轉換器。


ZVS降壓穩壓器是一款穩壓、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,隔離和穩壓不會重複。


雖然穩壓是由DCM和ZVS降壓穩壓器重複進行的,但由於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90%以上。


ChiP—轉換器級封裝:

DCM DC-DC轉換器藉由突破性封裝技術—轉換器級封裝(ChiP)技術進行封裝。


為了實現更高的功率效率、功率密度和設計靈活性,功率組件封裝技術必須持續改良,因此,ChiP的推出可優化電氣和熱效能。


ChiP產品的設計在PCB兩面都有功率組件,可減少寄生導致的損耗,從而不僅可對整個封裝均勻徹底地散熱,而且還可利用頂部和底部表面進行散熱。


ChiP產品封裝在熱增強型模壓化合物中,不僅可降低溫差,而且還可為便捷使用熱管理配件(散熱器、冷板和熱管等)提供平整的模組頂部和底部表面。


ZVS降壓拓撲結構:

除了一個連接在輸出電感器兩端的新增箝制開關外,ZVS降壓拓撲結構與常規降壓轉換器完全相同。新增的箝制開關允許將存儲在輸出電感器中的能量用於實現零電壓開關。


ZVS降壓拓撲結構的時序,它主要由以下三個狀態組成。


- Q1導通階段


o 假設Q1在共振躍遷後在近零電壓下接通。當D-S電壓幾乎為零時,Q1在零電流下接通。MOSFET和輸出電感器中的電流逐漸升高,準時達到由Q1決定的峰值電流。在Q1導通階段,能量儲存在輸出中,可為輸出電容器充電。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迅速關斷,接著是一個很短時間的本體二極體導通,這增加了可以忽略不計的功耗。接下來,Q2接通,儲存在輸出電感器中的能量提供給負載和輸出電容器。當電感器電流達到零時,同步MOSFET保持很長時間,其時長足以在輸出電感器中儲存一些來自輸出電容器的能量。電感器電流稍微變為負值。


-箝制階段


o 一旦控制器確定有足夠的能量儲存在電感器中,同步MOSFET就會關斷,而且箝制開關就會接通,將Vs節點箝制至輸出電壓。箝制開關可將輸出電感器電流與輸出隔離開來,同時還能夠以幾乎無損耗的方式按照電流形式循環儲存的能量。在箝制階段,由輸出電容器提供的輸出在該階段持續很短時間。


o 當箝制階段結束時,箝制開關就會打開。輸出電感器中儲存的能量會與Q1和Q2輸出電容產生諧振,導致Vs節點向輸入電壓發出響鈴。


o 該響鈴可對Q1的輸出電容進行放電,減少Q1的米勒電荷,並可為Q2的輸出電容充電。當Vs節點幾乎等於輸入電壓并採用無損方式時,就允許Q1接通。



圖9 :  ZVS降壓時序圖
圖9 : 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,其分別代表EMI和瞬態。


此外,Vicor還提供濾波器模組和兼容型Vicor DC-DC轉換器來實現各種合規性。


Vicor濾波器模組不僅可充分滿足特定軍用標準要求,同時還能與兼容型Vicor DC-DC模組搭配使用。


無人機資料鏈的電源解決方案:


圖10 : 無人機資料鏈解決方案
圖10 : 無人機資料鏈解決方案

對於無人機資料鏈解決方案,Picor濾波器模組(MPQI-18)和DC-DC模組(Cool-Power PI31xx)可用來為12V和15V電壓提供50W(總共100W)功率,符合MIL-STD-461E EMI標準。


MQPI-18是一款採用LGA封裝(25×25×4.5毫米,2.4G)的濾波器模組,用來滿足MIL-STD-461E的EMI要求。


軍用級Cool-Power DC-DC轉換器採用PSiP(22×16.5×6.7mm,7.8g)封裝,用來為所需的電壓提供寬泛的輸入(16-50V)。


採用Picor濾波器模組和DC-DC轉換器模組的解決方案符合MIL-STD461E標準,不是大尺寸的被動組件,可為無人機資料鏈及其它設備提供高密度電源解決方案。


結論

採用Vicor模組化電源解決方案,可以使無人機電源系統的設計具有體積小、重量輕和高密度的特點,從而可攜帶更多有效負載,執行更多任務。


此外,Vicor還將提供創新、高效能和良好品質的電源組件/解決方案,為客戶提供極大的競爭優勢。


(本文作者Alan Lau為Vicor公司領域應用工程師)


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