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采用DC-DC模块的无人机(UAV)电源解决方案

体积小、重量轻、功率密度高(SWaP)可以让无人机携带更多的有效载荷,飞行和续航时间更长,并完成更多的任务。

更高的效率可以尽可能利用能源效率,最大限度地提高续航时间和飞行时间,也使热管理尽可能容易,因为即使是更少的功率损耗都会传递热量。

高度灵活性和低复杂性可以使电源系统设计更加容易,并让无人机设计人员专注于无人机设计的其他部分,而不是花太多时间在电源系统设计;它缩短了设计时间,并使设计变得不那么复杂。

为了利用以上提到的优势,Vicor模块电源解决方案可以用最全面产品组合的高效率、高密度、配电架构,为性能关键的无人机应用提供完整的电源解决方案。

无人机的种类:

无人机可以从远程位置进行控制,或基于预先配置来自动运行。无人机有许多应用,从取保候审(recognizance)到消防,都可以由不同类别的无人机实现。

无人机的电源:

根据子系统的负载要求,无人机有几种可供选择的电源。

锂离子电池是一种常用的电源,由于体积小和成本较低,是100瓦和运行数天的无人机的理想选择。

为了有更高的能量密度和功率密度,还可以选择其他替代电源,包括太阳能电池系统、燃气轮机、柴油发电机等。

无人机的典型电源链:

图1(UAV电源链)

在典型无人机电源链中,有一个基于涡轮的发电机提供3相ac电源,通过整流器转换为270V dc,然后通过隔离式DC-DC转换器转换为48V dc或28V dc。

系统和数据链路,其中每一个都需要一个3.3V、5V和12V等的电压范围。因此,下游DC-DC转换器或niPoL(非隔离式负载点)需要为负载提供28V或48V dc母线所需的电压。

为了实现高效率,高电压DC母线(270V、48V或28V)沿着无人机的电源链进行优先配电。由配电引起的功率损耗基于I2R(R为线电阻),由于较高的电压可以最大限度地降低损耗,从而降低了电流;尤其是大型无人机,还有很长的配电长度。

在安全方面,在高电压DC母线(270V)和低电压DC母线之间需要进行隔离,当低于60V的电压与高电压隔离开时,就符合了SELV(安全特低电压)要求。

基于图1所示的电源链,有两级DC-DC转换,由于稳压在下一级完成,其中第一级需要隔离和非稳压的DC-DC转换器,而由于隔离在上游完成,第二级需要稳压和非隔离的DC-DC转换器。为了获得更高效率和更低成本的解决方案,隔离和稳压没有在DC-DC转换器的每个级重复。

270V至28V DC-DC转换:

图2

除了整流器,还有非隔离和非稳压的270V dc,通过MIL-COTS BCM(母线转换器模块)和MIL-COTS PRM(前置稳压器模块)转换到负载用的一个经隔离和稳压的电压,如28V。

GaAs发射器:

270V至28V电源链的应用之一是GaAs发射器,如图3所示。

图3(GaAs发射器电源链)

有效载荷、GaAs发射器都需要超过200瓦的功率。为了满足电力需求,需要将BCM模块和PRM模块并联至电源阵列,以提高输出功率。下面一段谈谈如何并联具有均流能力的BCM和PRM。

BCM和PRM模块可以配置超过1千瓦的电源阵列。

表1简要说明了BCM和PRM的规格,以便可以帮助了解它们在270V至28V转换的电源链中扮演了什么角色。

BCM模块是一个隔离和非稳压的DC-DC转换器模块,可通过一个固定比、K系数为SELV输出提供高输入电压。对于这个特定器件(MBCM270x450M270A00),K系数为1/6,因此输出电压始终为输入电压的1/6,270V输入有45V输出。

PRM模块是一个为负载提供稳压的稳压和非隔离的DC-DC转换器模块。由于PRM输出电压可以调整,针对GaAs发射器它可以调低至28V。

图4(GaAs发射器解决方案的效率)

BCM是一个隔离和非稳压的DC-DC转换器。

PRM是一个稳压和非隔离的DC-DC转换器。

在上一段已经提到,隔离和稳压并没有由DC-DC转换的每个级,或电源链中的具体DC-DC转换器进行重复,为的是获得更高的效率。

因此,通过使用BCM和PRM模块,270V至28V DC-DC转换的整体效率达到了93.12%。

并联BCM和PRM的技术:

图5a(并联BCM)

图5a(并联BCM)

在并联BCM模块的同时,通过阻抗匹配而不是并联信号实现均流,很容易连接每个BCM模块的输入和输出,如图5a和5b所示。并联BCM应考虑以下几点。

通过对称布局完成输入和输出互连阻抗匹配,如图5b所示。

2)均匀冷却使具体BCM模块温度彼此接近。

3)每个BCM模块的启用/禁用信号(PC引脚)都需要在同一时间连接来启动每个模块。

图6(并联PRM)

为了并联PRM模块(图6),需要使用并联信号(PR引脚)来实现各个模块的均流,同时,具体模块的启用/禁用信号(PC引脚)需要连接来同时启动所有模块。如图6所示,一个PRM模块可设置为一个电源阵列中的“主”,以驱动其他负责反馈和稳压的“从”PRM模块。

正弦振幅转换器(Sine Amplitude ConverterTM ,SACTM)拓扑结构:

母线转换器模块(BCM)采用SAC拓扑结构,从而实现了卓越的效率和功率密度。

图7(SACTM 转换器)

SAC拓扑结构是BCM模块核心中的一个动态、高性能引擎。

SAC是基于变压器的串联谐振拓扑结构,它在等于初级侧储能电路谐振谐振频率的固定频率下工作。初级侧的开关FET被锁定在初级的自然谐振频率,在零交叉点来开关,从而消除了开关中的功耗,提高了效率并大大减少了高阶噪声谐波的产生。初级的谐振回路是纯正弦波(图7所示),从而可降低谐波含量,提供了更干净的输出噪声频谱。由于SAC的高工作频率,可使用较小的变压器来提高功率密度和效率。

ZVS升压-降压拓扑结构:

PRM®(前置稳压器模块)采用一个专利升压-降压稳压器控制架构,以提供高效率升压/降压稳压。

图8(ZVS升压-降压)

PRM在固定开关频率下工作,通常在1 MHz(最大1.5 MHz),它还具有提高输出功率的并联能力。ZVS升压-降压开关顺序是相同的,无论它是降压还是升压。

ZVS升压-降压拓扑结构有四个级。

- Q1和Q4导通为变压器储存能量,然后是ZVS过渡的Q3导通

- Q1和Q3导通为从输入到输出提供路径,然后是ZVS过渡的Q2导通

- Q2和Q3对续流级导通,然后是ZVS过渡的Q4导通

- 在箝位阶段Q2和Q4导通,然后是ZVS过渡的Q1导通

完成4级之后,就是一个循环。

28V / 270V输入源到多路输出DC-DC转换:

图9(270V / 28V到多路输出)

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