用于高可靠性 eVTOL 輔助電源系統(tǒng)的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器

電動(dòng)垂直起降 (eVTOL) 飛機(jī)將在我們的天空中變得普遍，一位消息人士估計(jì) 2023 年至 2030 年間該市場(chǎng)的復(fù)合年增長(zhǎng)率將達(dá)到驚人的 52% [1]。第一架完全獲得美國(guó)聯(lián)邦航空管理局 (FAA) 型式認(rèn)證的飛機(jī)正在路上，例如 Joby Aviation，截至 2024 年 2 月已通過(guò)所需五個(gè)階段中的三個(gè)階段 [2]。這是一款配備一名飛行員和四名乘客的空中出租車(chē)，有六個(gè)旋翼，可以傾斜，以高達(dá) 200 英里/小時(shí)的速度進(jìn)行垂直或水平飛行。

飛行汽車(chē)概念已經(jīng)存在了幾十年，但現(xiàn)在，向可持續(xù)航空的轉(zhuǎn)變正在“推動(dòng)”市場(chǎng)向前發(fā)展。甚至成本也被認(rèn)為是一種優(yōu)勢(shì)，預(yù)計(jì)客運(yùn)票價(jià)僅為每英里幾美元[3]，這使得快速、安靜且價(jià)格實(shí)惠的空中出租車(chē)旅行對(duì)消費(fèi)者具有吸引力。

安全是首要問(wèn)題

沒(méi)有吸引力的是電動(dòng)垂直起降飛行器可能出現(xiàn)系統(tǒng)故障——盡管有些設(shè)計(jì)可以滑翔，但其他設(shè)計(jì)則不能，而且任何飛行器在垂直飛行階段都特別容易受到攻擊。此外，潛在乘客會(huì)對(duì)自主操作的行業(yè)目標(biāo)保持警惕——電動(dòng)垂直起降設(shè)計(jì)者知道，理論上這比人類(lèi)飛行員更可靠，但前提是電子系統(tǒng)被證明是穩(wěn)健的，即使在多次故障之后也是如此。

這一切都意味著冗余和監(jiān)控必須成為所有系統(tǒng)的核心，從電池到轉(zhuǎn)子、電力轉(zhuǎn)換和配電網(wǎng)絡(luò)，到飛行控制和導(dǎo)航電子設(shè)備。與此同時(shí)，飛行器系統(tǒng)必須盡可能小、輕量化和高效，以利用可用電池能量獲得最大航程，這是通過(guò)更多的電傳操縱裝置中的電子、電動(dòng)執(zhí)行器和電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，取代了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中的重型機(jī)械部件和連桿。

這些冗余組件和系統(tǒng)的可靠性至關(guān)重要，歐洲航空安全局 (EASA) 要求 eVTOL 飛機(jī)的平均故障間隔時(shí)間 (MTBF) 超過(guò) 10 億小時(shí)。實(shí)際上，這意味著故障率低于 10-9 每飛行小時(shí)。例如，這相當(dāng)于在規(guī)定的置信水平下，10,000 架飛機(jī)的機(jī)隊(duì)中的每架飛機(jī)在 11 個(gè)連續(xù)飛行年中沒(méi)有發(fā)生災(zāi)難性故障。 這對(duì)于單個(gè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)實(shí)際上是不可能實(shí)現(xiàn)的，因此在發(fā)生故障時(shí)需要通過(guò)設(shè)備冗余進(jìn)行備份。特別是當(dāng)電子設(shè)備用于飛行控制時(shí)，還必須允許出現(xiàn)部分故障——如果由于部件退化而對(duì)油門(mén)或表面的命令不準(zhǔn)確，這可能與完全故障一樣危險(xiǎn)，因此常見(jiàn)的做法是在線冗余，系統(tǒng)輸出在各個(gè)階段相互交叉檢查或“投票”。為了獲得最高的可靠性，至少可以使用三個(gè)冗余系統(tǒng)，因?yàn)橹挥袃蓚€(gè)冗余系統(tǒng)，如果記錄到差異，則不一定知道哪個(gè)系統(tǒng)是需要忽略的不準(zhǔn)確系統(tǒng)。例如，最初的航天飛機(jī)有四個(gè)相同的冗余在線飛行控制系統(tǒng)，還有第五個(gè)作為進(jìn)一步的備份。

配電也必須是冗余的

冗余布置不得有任何可能影響所有系統(tǒng)的組件或連接故障模式，其中一個(gè)明顯的問(wèn)題是供電和配電網(wǎng)絡(luò)。 NASA 的一篇論文 [4] 計(jì)算出，對(duì)于理論上的六座四旋翼飛行器，至少需要三個(gè)電池才能滿足 10-9 每小時(shí)故障率，其中任何兩個(gè)都足以安全飛行。每個(gè)轉(zhuǎn)子還需要四個(gè)獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)，并且能夠在任何兩個(gè)發(fā)生故障的情況下安全運(yùn)行。

可以預(yù)期，eVTOL 飛行器中的電力分配將全部為直流，主電池電壓相對(duì)較高，高功率 DC-DC 轉(zhuǎn)換器可產(chǎn)生 24 或 28V 的較低電壓總線，或者用于特定設(shè)備的電壓，例如作為燈。進(jìn)一步的板級(jí) DC-DC 將為電子設(shè)備提供端電壓。在配電和DC-DC轉(zhuǎn)換架構(gòu)上有安排上的選擇；冗余系統(tǒng)可以完全隔離，以確保沒(méi)有常見(jiàn)的故障模式，但這有一個(gè)缺點(diǎn)，即單個(gè)電源軌故障會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)癱瘓，迫使系統(tǒng)立即、預(yù)防性、緊急著陸，以防其余系統(tǒng)的任何部分發(fā)生第二次故障。系統(tǒng)。或者，可以在不同點(diǎn)對(duì)電源進(jìn)行“二極管門(mén)控”，這樣，如果一條路徑發(fā)生故障，其他路徑將分擔(dān)負(fù)載，下游電子設(shè)備將繼續(xù)正常運(yùn)行。然后，飛行員可能會(huì)決定繼續(xù)，因?yàn)樗滥膫€(gè)部分發(fā)生了故障以及它有多嚴(yán)重。然而，這種布置在很大程度上依賴(lài)于監(jiān)控來(lái)發(fā)出組件發(fā)生故障的信號(hào)，并且重要的是，監(jiān)控電路本身必須經(jīng)過(guò)仔細(xì)設(shè)計(jì)，以免形成單點(diǎn)故障。還必須定期進(jìn)行練習(xí)以檢查其功能是否正確。門(mén)控方法還意味著每個(gè)電源軌和任何 DC-DC 轉(zhuǎn)換都必須能夠提供其電流份額以及任何故障單元的電流，因此每個(gè)電源軌和任何 DC-DC 轉(zhuǎn)換都必須能夠提供其正常運(yùn)行負(fù)載的超大尺寸。這是可能無(wú)法接受的成本、尺寸和重量開(kāi)銷(xiāo)。但好處是，在正常情況下，如果共享電流，每個(gè) DC-DC 的負(fù)載將會(huì)更輕，從而有助于延長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器的使用壽命并提高可靠性。 圖1 顯示了一個(gè)系統(tǒng)，其中 DC-DC 轉(zhuǎn)換器配有門(mén)控電源軌，并具有電流共享監(jiān)控和信號(hào)發(fā)送功能。

圖 1：用于門(mén)控輔助電源的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器，以實(shí)現(xiàn)最大可用性

在這種情況下，監(jiān)控必須能夠智能地檢測(cè)每個(gè) DC-DC 輸出是否有效以及選通二極管是否出現(xiàn)短路故障，否則這些情況可能不會(huì)被注意到。如果發(fā)生這種情況，由于輸出接地短路而發(fā)生故障的 DC-DC 將拖累圖 1 示例中兩個(gè)飛行控制系統(tǒng)的電源。在圖中，如果“飛行控制”塊的輸入短路，這也會(huì)關(guān)閉兩個(gè) DC-DC 輸出，因此每條電源線都需要保險(xiǎn)絲或斷路器。

運(yùn)行環(huán)境

作為一種新的應(yīng)用，電動(dòng)垂直起降飛行器中的電子設(shè)備操作環(huán)境沒(méi)有歷史標(biāo)準(zhǔn)，例如汽車(chē)或傳統(tǒng)航空電子設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)。然而，這確實(shí)意味著不一定需要滿足遺留要求，例如，現(xiàn)有的航空電子標(biāo)準(zhǔn)允許電源軌上出現(xiàn)“負(fù)載突降”的高能量瞬變，但在 eVTOL 應(yīng)用中，這些可以被“設(shè)計(jì)”為不存在。然而，一定程度的濾波和瞬態(tài)保護(hù)將會(huì)存在。電源軌質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)可能基于最嚴(yán)格的軍事要求，例如 MIL-STD-704F 和 MIL-STD-1275，以及商定的排除項(xiàng)，以及針對(duì) EMC 的 MIL-STD-461。

物理環(huán)境可能相對(duì)惡劣，存在沖擊、振動(dòng)和碰撞效應(yīng)，工作溫度范圍和熱沖擊可能很?chē)?yán)重?？梢允褂?DO-160，航空無(wú)線電技術(shù)委員會(huì)出版的“機(jī)載設(shè)備的環(huán)境條件和測(cè)試程序”。

電源轉(zhuǎn)換器的冷卻可能依賴(lài)于通過(guò)基板到飛行器框架的傳導(dǎo)，因?yàn)轱L(fēng)扇太不可靠，對(duì)流冷卻水平難以保證，并且需要更大的 DC-DC 外殼尺寸。無(wú)論如何，DC-DC 都需要高效、盡可能最小的尺寸、通過(guò)最小內(nèi)部溫升和最小能量浪費(fèi)實(shí)現(xiàn)最高可靠性。隨著工作海拔、濕度和空氣質(zhì)量的變化，封裝部件自然會(huì)成為首選。

eVTOL 飛行器中板載 DC-DC 轉(zhuǎn)換的示例解決方案

雖然將電池電壓降低至 24V 或 28V 總線的主要高功率 DC-DC 可能是定制設(shè)計(jì)，但下游板安裝 DC-DC 可以從現(xiàn)成部件中選擇。 圖2 顯示了使用 Gaia 轉(zhuǎn)換器 [4] 部件的布置，Gaia 轉(zhuǎn)換器在向高可靠性市場(chǎng)提供電源轉(zhuǎn)換產(chǎn)品方面擁有長(zhǎng)期經(jīng)驗(yàn)。 EMC 濾波器（部件為 FGDS12A100）符合軍用標(biāo)準(zhǔn) MIL-STD-461，而預(yù)調(diào)節(jié)器模塊 LHUG150 則根據(jù) MIL-STD-1275 衰減尖峰和浪涌，同時(shí)通過(guò)外部電容器的電源驟降提供主動(dòng)保持。無(wú)論輸入如何，它都會(huì)保持“升壓”至高電壓。該模塊在 9-60VDC 標(biāo)稱(chēng)電壓下可處理高達(dá) 150W 的總負(fù)載，并具有反極性保護(hù)、浪涌控制和軟啟動(dòng)功能。還為下游轉(zhuǎn)換器生成兩個(gè)反相的同步信號(hào)。

圖2：用于符合通用航空電子標(biāo)準(zhǔn)的 eVTOL 應(yīng)用的板載 DC-DC 示例系統(tǒng)

所示的終端負(fù)載 DC-DC 轉(zhuǎn)換器來(lái)自 Gaia 的緊湊型 MGD 系列，額定功率為 4 至 500W。該封裝部件適用于冷板冷卻，并具有遠(yuǎn)程感應(yīng)、電壓微調(diào)、開(kāi)關(guān)功能以及安全保護(hù)功能，包括輸出過(guò)壓和過(guò)流、過(guò)溫和輸入欠壓。隔離電壓為1500VDC。

結(jié)論

eVTOL 動(dòng)力系統(tǒng)架構(gòu)尚未明確定義，并且可能的配置多種多樣，從小型無(wú)人機(jī)到多座客機(jī)，可能永遠(yuǎn)不會(huì)有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。然而，使用 Gaia 轉(zhuǎn)換器等供應(yīng)商提供的模塊化、可擴(kuò)展 DC-DC 及其在高可靠性市場(chǎng)中的跟蹤記錄和認(rèn)證，可以帶來(lái)經(jīng)濟(jì)、安全和可靠的解決方案。