采用DC-DC模塊的無(wú)人機(jī)電源解決方案

 摘要：在設(shè)計(jì)針對(duì)無(wú)人機(jī)(UAV)的電源系統(tǒng)時(shí)，設(shè)計(jì)人員所關(guān)心的參數(shù)是尺寸、重量、功率密度、功率重量比、效率、熱管理、靈活性和復(fù)雜性。體積小、重量輕、功率密度高(SWaP)可以讓無(wú)人機(jī)攜帶更多的有效載荷，飛行和續(xù)航時(shí)間更長(zhǎng)，并完成更多的任務(wù)。更高的效率可以盡可能利用能源效率，最大限度地提高續(xù)航時(shí)間和飛行時(shí)間，也使熱管理盡可能容易，因?yàn)榧词故歉俚墓β蕮p耗都會(huì)傳遞熱量。高度靈活性和低復(fù)雜性可以使電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)更加容易，并讓無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)人員專注于無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)的其他部分，而不是花太多時(shí)間在電源系統(tǒng)設(shè)計(jì);它縮短了設(shè)計(jì)時(shí)間，并使設(shè)計(jì)變得不那么復(fù)雜。

1 無(wú)人機(jī)的種類

無(wú)人機(jī)可以從遠(yuǎn)程位置進(jìn)行控制，或基于預(yù)先配置來(lái)自動(dòng)運(yùn)行。無(wú)人機(jī)有許多應(yīng)用，從取保候?qū)?recognizance)到消防，都可以由不同類別的無(wú)人機(jī)實(shí)現(xiàn)。

2 無(wú)人機(jī)的電源

根據(jù)子系統(tǒng)的負(fù)載要求，無(wú)人機(jī)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(yùn)行數(shù)天的無(wú)人機(jī)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(yáng)能電池系統(tǒng)、燃?xì)廨啓C(jī)、柴油發(fā)電機(jī)等。

3 無(wú)人機(jī)的典型電源鏈

在典型無(wú)人機(jī)電源鏈中，有一個(gè)基于渦輪的發(fā)電機(jī)提供三相AC電源，通過(guò)整流器轉(zhuǎn)換為270V DC，然后通過(guò)隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為48V DC或28V DC。

系統(tǒng)和數(shù)據(jù)鏈路，其中每一個(gè)都需要一個(gè)3.3V、5V和12V等電壓范圍。因此，下游DC-DC轉(zhuǎn)換器或niPoL(非隔離式負(fù)載點(diǎn))需要為負(fù)載提供28V或48V DC母線所需的電壓。

為了提高高效率，高電壓DC母線(270V、48V或28V)沿著無(wú)人機(jī)的電源鏈進(jìn)行優(yōu)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(wú)人機(jī)，還有很長(zhǎng)的配電長(zhǎng)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(jìn)行隔離，當(dāng)?shù)陀?0V的電壓與高電壓隔離開時(shí)，就符合了SELV(安全特低電壓)要求。

如圖1所示的電源鏈，有兩級(jí)DC-DC轉(zhuǎn)換，由于穩(wěn)壓在下一級(jí)完成，其中第一級(jí)需要隔離和非穩(wěn)壓的DC-DC轉(zhuǎn)換器，而由于隔離在上游完成;第二級(jí)需要穩(wěn)壓和非隔離的DC-DC轉(zhuǎn)換器。為了提高效率和降低成本，隔離和穩(wěn)壓沒(méi)有在DC-DC轉(zhuǎn)換器的每個(gè)級(jí)重復(fù)。

如圖2所示，除了整流器，還有非隔離和非穩(wěn)壓的270V DC，通過(guò)MIL-COTS BCM(母線轉(zhuǎn)換器模塊)和MIL-COTS PRM(前置穩(wěn)壓器模塊)轉(zhuǎn)換到負(fù)載用的一個(gè)經(jīng)隔離和穩(wěn)壓的電壓，如28V。

270V至28V電源鏈的應(yīng)用之一是GaAs發(fā)射器，如圖3所示。有效載荷、GaAs發(fā)射器都需要超過(guò)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(lián)至電源陣列，以提高輸出功率。

BCM和PRM模塊可以配置超過(guò)1千瓦的電源陣列。

BCM模塊是一個(gè)隔離和非穩(wěn)壓的DC-DC轉(zhuǎn)換器模塊，可通過(guò)一個(gè)固定比、K系數(shù)為SELV輸出提供高輸入電壓。對(duì)于這個(gè)特定器件(MBCM270x450M270A00)，K系數(shù)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(gè)為負(fù)載提供穩(wěn)壓的穩(wěn)壓和非隔離的DC-DC轉(zhuǎn)換器模塊。由于PRM輸出電壓可以調(diào)整，針對(duì)GaAs發(fā)射器它可以調(diào)低至28V。

BCM是一個(gè)隔離和非穩(wěn)壓的DC-DC轉(zhuǎn)換器。PRM是一個(gè)穩(wěn)壓和非隔離的DC-DC轉(zhuǎn)換器。

在上一段已經(jīng)提到，隔離和穩(wěn)壓并沒(méi)有由DC-DC轉(zhuǎn)換的每個(gè)級(jí)，或電源鏈中的具體DC-DC轉(zhuǎn)換器進(jìn)行重復(fù)，為的是獲得更高的效率。

因此，通過(guò)使用BCM和PRM模塊，270V至28V DC-DC轉(zhuǎn)換的整體效率達(dá)到了93.12%。

4 并聯(lián)BCM和PRM的技術(shù)

在并聯(lián)BCM模塊的同時(shí)，通過(guò)阻抗匹配而不是并聯(lián)信號(hào)實(shí)現(xiàn)均流，很容易連接每個(gè)BCM模塊的輸入和輸出，如圖5a和5b所示。并聯(lián)BCM應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)：

(1)通過(guò)對(duì)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(gè)BCM模塊的啟用/禁用信號(hào)(PC引腳)都需要在同一時(shí)間連接來(lái)啟動(dòng)每個(gè)模塊。

為了并聯(lián)PRM模塊(圖6)，需要使用并聯(lián)信號(hào)(PR引腳)來(lái)實(shí)現(xiàn)各個(gè)模塊的均流，同時(shí)，具體模塊的啟用/禁用信號(hào)(PC引腳)需要連接來(lái)同時(shí)啟動(dòng)所有模塊。如圖6所示，一個(gè)PRM模塊可設(shè)置為一個(gè)電源陣列中的“主”，以驅(qū)動(dòng)其他負(fù)責(zé)反饋和穩(wěn)壓的“從”PRM模塊。

5 正弦振幅轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

母線轉(zhuǎn)換器模塊(BCM)采用SAC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)了卓越的效率和功率密度。

SAC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是BCM模塊核心中的一個(gè)動(dòng)態(tài)、高性能引擎。

SAC是基于變壓器的串聯(lián)諧振拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，它在等于初級(jí)側(cè)儲(chǔ)能電路諧振諧振頻率的固定頻率下工作。初級(jí)側(cè)的開關(guān)FET被鎖定在初級(jí)的自然諧振頻率，在零交叉點(diǎn)來(lái)開關(guān)，從而消除了開關(guān)中的功耗，提高了效率并大大減少了高階噪聲諧波的產(chǎn)生。初級(jí)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(lái)提高功率密度和效率。

6 ZVS升壓-降壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

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

PRM在固定開關(guān)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(lián)能力。ZVS升壓-降壓開關(guān)順序是相同的，無(wú)論它是降壓還是升壓。

如圖8所示，ZVS升壓-降壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有四個(gè)級(jí)。

(1)Q1和Q4導(dǎo)通為變壓器儲(chǔ)存能量，然后是ZVS過(guò)渡的Q3導(dǎo)通。

(2)Q1和Q3導(dǎo)通為從輸入到輸出提供路徑，然后是ZVS過(guò)渡的Q2導(dǎo)通。

(3) Q2和Q3對(duì)續(xù)流級(jí)導(dǎo)通，然后是ZVS過(guò)渡的Q4導(dǎo)通。

(4)在箝位階段Q2和Q4導(dǎo)通，然后是ZVS過(guò)渡的Q1導(dǎo)通。

完成4級(jí)之后，就是一個(gè)循環(huán)。

7 28V/270V輸入源到多路輸出DC-DC轉(zhuǎn)換

由于有效載荷，如航空、數(shù)據(jù)鏈路、雷達(dá)、飛行控制系統(tǒng)都需要一個(gè)15V、12V、5V、3.3V的電壓范圍，需要下游DC-DC轉(zhuǎn)換器或niPoL提供所需電壓作為有效載荷的多路輸出，如圖9所示。

除了整流器，還有非穩(wěn)壓和非隔離的270VDC，這個(gè)MIL-COTS DCM DC-DC轉(zhuǎn)換器和Picor ZVS降壓穩(wěn)壓器可提供經(jīng)隔離和穩(wěn)壓的多路輸出。

在第一級(jí)，MDCM DC-DC將一個(gè)非穩(wěn)壓輸入(28V或270V)轉(zhuǎn)換為一個(gè)經(jīng)隔離和穩(wěn)壓的28V，然后通過(guò)下游非隔離式ZVS穩(wěn)壓器轉(zhuǎn)換為多路輸出。

在后一級(jí)，Coop Power ZVS降壓穩(wěn)壓器將28V轉(zhuǎn)換為負(fù)載所需的電壓。

DCM是一個(gè)隔離和穩(wěn)壓的DC-DC轉(zhuǎn)換器。ZVS降壓穩(wěn)壓器是一個(gè)穩(wěn)壓和非隔離的DC-DC轉(zhuǎn)換器，如圖10所示。

在上一段已經(jīng)提到，為了有更高的效率，不會(huì)重復(fù)隔離和穩(wěn)壓。

雖然穩(wěn)壓是由DCM和ZVS降壓穩(wěn)壓器重復(fù)進(jìn)行的，由于ZVS降壓穩(wěn)壓器的高效率，從高電壓到所需電壓的整體效率可以達(dá)到高于90%。

8 ChiP——轉(zhuǎn)換器級(jí)封裝

DCM DC-DC轉(zhuǎn)換器通過(guò)突破性封裝技術(shù)——轉(zhuǎn)換器級(jí)封裝(ChiP)技術(shù)進(jìn)行封裝。

為了實(shí)現(xiàn)更高的功率效率、密度和設(shè)計(jì)靈活性，需要功率元件封裝技術(shù)的持續(xù)改進(jìn)，因此，ChiP的推出優(yōu)化了電氣和熱性能。

ChiP產(chǎn)品的設(shè)計(jì)在PCB兩面都有功率元件，可減少由于寄生的損耗，通過(guò)整個(gè)封裝均勻徹底地散熱，并利用了頂部和底部表面散熱。

ChiP產(chǎn)品封裝在熱增強(qiáng)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。

9 ZVS降壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

如圖11所示，除了一個(gè)連接在輸出電感器兩端的附加箝位開關(guān)，ZVS降壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)降壓轉(zhuǎn)換器相同。增加的箝位開關(guān)允許將能量存儲(chǔ)在輸出電感器中，用來(lái)實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)。

圖12顯示了ZVS降壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的時(shí)序圖，它主要由三個(gè)狀態(tài)組成，如下所示。

9.1 Q1導(dǎo)通階段

假設(shè)Q1在諧振過(guò)渡后的近零電壓開啟。當(dāng)D-S電壓幾乎為0時(shí)，Q1在零電流開啟。MOSFET和輸出電感器中的電流斜升，準(zhǔn)時(shí)達(dá)到由Q1決定的峰值電流。在Q1導(dǎo)通階段，能量存儲(chǔ)在輸出中，并為輸出電容器充電。在Q1導(dǎo)通階段，Q1中的功耗是由MOSFET導(dǎo)通電阻決定的;開關(guān)損耗可以忽略不計(jì)。

9.2 Q2導(dǎo)通階段

Q1迅速關(guān)閉，接著是一個(gè)很短時(shí)間的體二極管導(dǎo)通，這增加了可以忽略不計(jì)的功耗。接下來(lái)，Q2開啟，存儲(chǔ)在輸出電感器中的能量被傳送到負(fù)載和輸出電容器。當(dāng)電感器電流達(dá)到0時(shí)，同步MOSFET保持足夠長(zhǎng)的時(shí)間，在輸出電感器中存儲(chǔ)一些來(lái)自輸出電容器的能量。電感器電流為負(fù)值。

9.3 箝位階段

一旦控制器已確定有足夠的能量存儲(chǔ)在電感器中，同步MOSFET關(guān)閉，箝位開關(guān)開啟，箝位Vs節(jié)點(diǎn)至輸出電壓。箝位開關(guān)隔離輸出電感器電流與輸出，同時(shí)以幾乎無(wú)損的方式用電流來(lái)循環(huán)存儲(chǔ)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(xù)很短時(shí)間。

當(dāng)箝位階段結(jié)束時(shí)，箝位開關(guān)被打開。輸出電感器中儲(chǔ)存的能量與Q1和Q2輸出電容產(chǎn)生諧振，導(dǎo)致Vs節(jié)點(diǎn)對(duì)輸入電壓振鈴。

這個(gè)振鈴對(duì)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(dāng)Vs節(jié)點(diǎn)幾乎等于輸入電壓時(shí)，這允許以無(wú)損方式方式開啟Q1。

10 無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈的電源解決方案

如圖14所示，對(duì)于無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈解決方案，Picor濾波模塊(MPQI-18)和DC-DC模塊(Cool-Power PI31xx)可用來(lái)提供針對(duì)12V和15V的50W(總共100W)，以符合MIL-STD-461E EMI要求。

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

MIL級(jí)Cool-Power DC-DC轉(zhuǎn)換器采用PSiP(22×16.5×6.7mm，7.8g)封裝，用來(lái)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(zhuǎn)換器模塊的解決方案可以兼容MIL-STD461E，而不是大尺寸的被動(dòng)元件，可實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈及其他設(shè)備的高密度電源解決方案。