探討無人機(jī)電源系統(tǒng)設(shè)計方案

時間：2018-10-17 15:00:01

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[導(dǎo)讀]在設(shè)計無人機(jī)(UAV)用的電源系統(tǒng)時，設(shè)計人員所關(guān)心的參數(shù)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(fù)雜性。體積小、重量輕、功率密度高(SWaP)

在設(shè)計無人機(jī)(UAV)用的電源系統(tǒng)時，設(shè)計人員所關(guān)心的參數(shù)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(fù)雜性。體積小、重量輕、功率密度高(SWaP)可以讓無人機(jī)攜帶更多的有效負(fù)載，飛行和續(xù)航時間更長，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，最大限度地延遲續(xù)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(dǎo)致熱傳遞。高靈活性和低復(fù)雜性不僅可以使電源系統(tǒng)設(shè)計更加容易，而且還可讓無人機(jī)設(shè)計人員專注于無人機(jī)設(shè)計之其他部分，而不是在電源系統(tǒng)設(shè)計上花大量的時間;它不僅可節(jié)省設(shè)計完成時間，還可降低設(shè)計復(fù)雜性。

為了充分利用上述優(yōu)勢，Vicor模組電源解決方案可通過最全面產(chǎn)品組合的高效率、高密度、配電架構(gòu)，為效能關(guān)鍵性無人機(jī)應(yīng)用提供完整的電源解決方案。

無人機(jī)的種類：

無人機(jī)可以從遠(yuǎn)端位置進(jìn)行控制，或基于預(yù)編程組態(tài)自動運行。無人機(jī)有許多應(yīng)用，從具結(jié)到消防，都可以由不同類別的無人機(jī)來實現(xiàn)。

無人機(jī)的電源：

根據(jù)子系統(tǒng)之負(fù)載要求，無人機(jī)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(shù)天的無人機(jī)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(tǒng)、燃?xì)廨啓C(jī)以及柴油發(fā)電機(jī)等。

無人機(jī)的典型電源鏈：

圖1 ：無人機(jī)電源鏈

在典型的無人機(jī)電源鏈中，有一個基于渦輪的發(fā)電機(jī)提供3相AC電源，其可通過整流器轉(zhuǎn)換為270VDC電源，然后通過隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為48VDC電源或28VDC電源。

無人機(jī)上有許多有效負(fù)載，包括雷達(dá)、影像、航空電子、導(dǎo)航、制導(dǎo)、飛控系統(tǒng)和數(shù)據(jù)傳輸鏈路，其中每一個都需要一個3.3V、5V及12V等的電壓范圍。因此，下游DC-DC轉(zhuǎn)換器或非隔離式負(fù)載點(niPoL)都需要為所需的負(fù)載電壓提供28V或48V DC母線。

為了實現(xiàn)高效率，高電壓DC母線(270V、48V或28V)沿著無人機(jī)的電源鏈進(jìn)行優(yōu)先配電。配電引起的功率損耗系以I2R(R線阻)為主，由于提高電壓可以最大限度地降低配電損耗，因而可減少電流;對于大型無人機(jī)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(jìn)行隔離，當(dāng)?shù)陀?0V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(jù)圖1所顯示的電源鏈，有兩級DC-DC轉(zhuǎn)換，由于穩(wěn)壓在下一級完成，其中第一級需要隔離之非穩(wěn)壓DC-DC轉(zhuǎn)換器，而由于隔離在上游完成，第二級則需要穩(wěn)壓之非隔離DC-DC轉(zhuǎn)換器。為了實現(xiàn)更高的效率和更低的解決方案成本，隔離和穩(wěn)壓沒有在DC-DC轉(zhuǎn)換器的每一級重復(fù)。

270V至28V DC-DC轉(zhuǎn)換：

圖2

除了整流器，還有非隔離之非穩(wěn)壓270VDC電壓，藉由MIL-COTS BCM(母線轉(zhuǎn)換器模組)和MIL-COTS PRM(前置穩(wěn)壓器模組)轉(zhuǎn)換到負(fù)載用的一個隔離、穩(wěn)壓的電壓，如28V。

GaAs發(fā)射器：

270V至28V電源鏈的應(yīng)用之一是GaAs發(fā)射器，其方框圖如圖3所示。

圖3 ： GaAs發(fā)射器電源鏈

有效負(fù)載、GaAs發(fā)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模組并聯(lián)至電源陣列，以提高輸出功率。下面一段談?wù)勅绾尾⒙?lián)具有均流能力的BCM和PRM。

BCM和PRM模組可以組態(tài)超過1千瓦的電源陣列。

BCM模組是一款隔離的非穩(wěn)壓DC-DC轉(zhuǎn)換器模組，可藉由一個固定比K系數(shù)為SELV輸出提供高電壓輸入。就這個特定零部件(MBCM270x450M270A00)而言，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模組是一款穩(wěn)壓的非隔離DC-DC轉(zhuǎn)換器模組，可為負(fù)載提供穩(wěn)壓的電壓。由于PRM輸出電壓可以微調(diào)，因此它可針對GaAs發(fā)射器調(diào)低至28V。

圖4 ： GaAs發(fā)射器解決方案的效率

BCM是一款隔離的非穩(wěn)壓DC-DC轉(zhuǎn)換器。

PRM是一款穩(wěn)壓的非隔離DC-DC轉(zhuǎn)換器。

上一段已經(jīng)提到，隔離和穩(wěn)壓并沒有由DC-DC轉(zhuǎn)換的每一級、或電源鏈中的單個DC-DC轉(zhuǎn)換器重復(fù)，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(zhuǎn)換的整體效率可達(dá)到93.12%。

并聯(lián)BCM和PRM的技術(shù)：

圖5

在并聯(lián)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(而不是并聯(lián)信號)來實現(xiàn)均流，如圖5a和5b所示。并聯(lián)BCM應(yīng)考慮以下幾點。

1.藉由對稱布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 ：并聯(lián)PRM

要并聯(lián)PRM模組(圖6)，需要使用并聯(lián)信號(PR引腳)來實現(xiàn)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(shè)置為一個電源陣列中的「主」，以驅(qū)動其它負(fù)責(zé)回饋和穩(wěn)壓的「從」PRM模組。

正弦振幅轉(zhuǎn)換器(Sine Amplitude Converter，SAC)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：

母線轉(zhuǎn)換器模組(BCM)采用SAC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從而可實現(xiàn)優(yōu)異的效率和功率密度。

圖7 ： SAC轉(zhuǎn)換器

SAC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是一個處于BCM模組核心位置的動態(tài)、高效能引擎。

SAC是基于變壓器的串聯(lián)諧振拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在等于初級側(cè)儲能電路諧振頻率的固定頻率下工作。初級側(cè)的開關(guān)FET鎖定為初級的自然諧振頻率，在零交叉點開關(guān)，從而可消除開關(guān)中的功耗，提高效率，顯著減少高階雜訊諧波的產(chǎn)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(nèi)容，提供更干凈的輸出雜訊頻譜。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降壓-升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：

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

圖8 ： ZVS降壓-升壓

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

ZVS降壓-升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有四級。

- Q1和Q4導(dǎo)通可在變壓器內(nèi)儲存能量，然后藉由Q3進(jìn)行ZVS轉(zhuǎn)變

- Q1和Q3導(dǎo)通可提供從輸入到輸出的路徑，然后藉由Q2進(jìn)行ZVS轉(zhuǎn)變

- Q2和Q3導(dǎo)通可進(jìn)入自由輪轉(zhuǎn)級，然后藉由Q4進(jìn)行ZVS轉(zhuǎn)變

- 在鉗制階段Q2和Q4導(dǎo)通，可藉由Q1進(jìn)行ZVS轉(zhuǎn)變

- 完成4級之后，就是一個循環(huán)。

28V / 270V輸入源到多路輸出DC-DC轉(zhuǎn)換：

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

除了整流器，還有非穩(wěn)壓、非隔離270VDC電源，其可藉由MIL-COTS DCM DC-DC轉(zhuǎn)換器和Picor ZVS降壓穩(wěn)壓器提供給隔離、穩(wěn)壓的多路輸出。

在第一級，MDCM DC-DC將一個非穩(wěn)壓輸入(28V或270V)轉(zhuǎn)換為一個隔離、穩(wěn)壓的28V電壓，然后藉由下游非隔離式ZVS穩(wěn)壓器轉(zhuǎn)換為多路輸出。

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

DCM是一款隔離、穩(wěn)壓的DC-DC轉(zhuǎn)換器。

ZVS降壓穩(wěn)壓器是一款穩(wěn)壓、非隔離的DC-DC轉(zhuǎn)換器。

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

雖然穩(wěn)壓是由DCM和ZVS降壓穩(wěn)壓器重復(fù)進(jìn)行的，但由于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90%以上。

ChiP—轉(zhuǎn)換器級封裝：

DCM DC-DC轉(zhuǎn)換器藉由突破性封裝技術(shù)—轉(zhuǎn)換器級封裝(ChiP)技術(shù)進(jìn)行封裝。

為了實現(xiàn)更高的功率效率、功率密度和設(shè)計靈活性，功率組件封裝技術(shù)必須持續(xù)改良，因此，ChiP的推出可優(yōu)化電氣和熱效能。

ChiP產(chǎn)品的設(shè)計在PCB兩面都有功率組件，可減少寄生導(dǎo)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(jìn)行散熱。

ChiP產(chǎn)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)：

除了一個連接在輸出電感器兩端的新增鉗制開關(guān)外，ZVS降壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與常規(guī)降壓轉(zhuǎn)換器完全相同。新增的鉗制開關(guān)允許將存儲在輸出電感器中的能量用于實現(xiàn)零電壓開關(guān)。

ZVS降壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的時序，它主要由以下三個狀態(tài)組成。

Q1導(dǎo)通階段

假設(shè)Q1在共振躍遷后在近零電壓下接通。當(dāng)DS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(zhǔn)時達(dá)到由Q1決定的峰值電流。在Q1導(dǎo)通階段，能量儲存在輸出中，可為輸出電容器充電。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。

Q2導(dǎo)通階段

Q1迅速關(guān)斷，接著是一個很短時間的本體二極體導(dǎo)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(fù)載和輸出電容器。當(dāng)電感器電流達(dá)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?yōu)樨?fù)值。

-鉗制階段

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(guān)斷，而且鉗制開關(guān)就會接通，將Vs節(jié)點鉗制至輸出電壓。鉗制開關(guān)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(huán)儲存的能量。在鉗制階段，由輸出電容器提供的輸出在該階段持續(xù)很短時間。

當(dāng)鉗制階段結(jié)束時，鉗制開關(guān)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(chǎn)生諧振，導(dǎo)致Vs節(jié)點向輸入電壓發(fā)出響鈴。

該響鈴可對Q1的輸出電容進(jìn)行放電，減少Q(mào)1的米勒電荷，并可為Q2的輸出電容充電。當(dāng)Vs節(jié)點幾乎等于輸入電壓并采用無損方式時，就允許Q1接通。

圖9 ： ZVS降壓時序圖

無人機(jī)的軍用標(biāo)準(zhǔn)

在一些無人機(jī)應(yīng)用中，需要滿足MIL-STD-461 MIL-STD-704/1275等軍用標(biāo)準(zhǔn)，其分別代表EMI和瞬態(tài)。

此外，Vicor還提供濾波器模組和兼容型Vicor DC-DC轉(zhuǎn)換器來實現(xiàn)各種合規(guī)性。

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

無人機(jī)資料鏈的電源解決方案：

圖10 ：無人機(jī)資料鏈解決方案

對于無人機(jī)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(biāo)準(zhǔn)。

MQPI-18是一款采用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(zhuǎn)換器采用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)。