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系留型无人机供电设计指南
 

【作者: Mark Patrick】2020年08月13日 星期四

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系留无人机应用:

系留无人机和普通无人机市场正以惊人速度增长,预计2020年增长速度将达到61%[1],这种快速增长背後原因是由於需要持久性空中平台的应用和用户数量持续增加。与运作时间受限的普通无人机不同,系留型无人机不需要携带电源,因而能够增大有效负载。


在大多数天气条件下,它们可以在高达200米高空保持飞行达24小时,具备很高耐力水准。系留型无人机应用包括传统安全性、情报收集和监视以及其它用例,它们的长时间飞行能力使其非常适合在人道主义危机期间提供应急通讯网路,监视大型工业园区内的消防以及拍摄大型户外运动赛事等等。


随着系留型无人机应用不断扩展,其技术挑战也随之增加。在无人机中整合更多功能的需求也增加了有效载荷重量,透过扩大系留型无人机的运作高度可以得到一些益处,但同时也带来了更大系绳缆线阻力。同样,增加飞行时间要求加强型安全监控,提供更多备用电源,并需要提供降落伞等安全功能。


系留无人机供电技术挑战

为系留型无人机供电具有一些技术挑战。UAV中需要功率最多的几个主要部分是转子驱动马达,控制电子设备和有效载荷,其中马达驱动在可用功率预算中占最大比例。由於缆线具有电阻,在足够长缆线上传输足够高功率会导致传输损耗。为了获得最大有效载荷,需要将缆线阻力保持在最小,这对缆线导体厚度施加了限制。但较细的导体会增大缆线电阻,伴随运作高度的增加,缆线电阻会变得越来越重要。


为了达到无人机功率传输要求,保持低配电损耗的唯一可行选择是沿系留缆线传输高电压,并在无人机内将功率转换为所需水准。由於重量为关键限制因素,功率转换元件也需要轻量化。使用高直流电压能够降低在系留缆线中的电流(I=P/V),从而允许采用直径较小的系留缆线,并降低功率(I2R)损耗。当下,业界的发展趋势正在朝向在系留缆线中传输高达400VDC电压,并在无人机中使用一个或多个DC/DC转换器为转子马达和应用电路供电。


选择具有高压输入的DC/DC

能够提供DC/DC转换器的供应商有许多,但是要找到一个可以支援高达400VDC电压输入的转换器,则大大缩小可选范围。转换器还需要具有宽转换率,例如,需要能够转换到48VDC输出。


适用於此任务的一个DC/DC转换器示例是Vicor BCM6123系列高电压汇流排转换器模组。


BCM6123系列具有固定转换率,称为K因数,并且效率很高,通常可达到98%。例如,BCM6123xD1E5135T01支援高达400VDC输入电压,K因数为1/8,并能够提供高达1750瓦功率。具备固定转换率的转换器(也称为汇流排转换器)通常不具备输出电压调节功能,然而这可以根据需要透过其他下游DC/DC转换器来实现。由於固定转换率的转换器不包含稳压元件,因此它们能够具备更高效率,并具有更高功率密度。产生更少废热也简化了热管理需求,可以进一步减轻重量。



图1 : 固定转换率的转换器可以对输入电压进行升压和降压,并且适合於双向功率转换。(source:Vicor)
图1 : 固定转换率的转换器可以对输入电压进行升压和降压,并且适合於双向功率转换。(source:Vicor)

图1所示为一个隔离式固定转换率转换器,其K因数为1/12。籍由Vicor BCM系列的设计特性,它们可用於升压或降压。请注意,如果需要反向操作以从低压电源产生高压,则必须首先以正常正向模式(forward mode)启动转换器。


在此例示中,400VDC输入实现33VDC输出。同样,低压侧33VDC输入可以产生400VDC输出。Vicor BCM系列固定转换率转换器可以平行配置以满足更高输出功率需求,也可以串列配置以提供更高输出电压。


所有Vicor BCM系列均使用正弦振幅转换器(SAC)拓扑,以提供高水准转换效率。大多数DC/DC转换器拓扑架构使用转换器脉波宽度调变(PWM)开关驱动电路任务周期来控制次级功率输出。为了将开关元件损耗降到最低,PWM频率一般不超过几百kHz。



图2 : 正弦振幅转换器简化电路。(source:Vicor)
图2 : 正弦振幅转换器简化电路。(source:Vicor)

SAC是一种基於变压器的谐振拓扑架构。开关转换器操作在初级侧LC等效电路的固定谐振频率,在零交叉点执行开关可消除开关器件功率损耗,从而显着提高转换效率,并减少高阶杂讯谐波产生。与透过使用方波驱动讯号改变PWM任务周期不同,SAC转换器使用更高频率(通常为几个MHz),并调整驱动讯号振幅以适应增大的输出负载。使用较高开关频率还有助於减小变压器尺寸,进而减轻重量。


传输线影响

系留缆线之电路特性需要在设计过程中进行研究,关键因素是每单位长度电阻、电容和电感。


较短缆线可充当大容量LCR电路,但较长系留缆线更像是具有分散式LCR属性的传输线。透过系留缆线模拟可以帮助应对传输线影响,尤其是在解决最初接通期间输入浪涌方面。正确使用输出滤波器来终止系留缆线可以减轻输入电涌对无人机影响。一般而言,如果电源尖峰上升时间超过线路延迟十倍,则可将系留缆线视为较短。


为无人机供电实际用例

图3所示为无人机高压直流传输解决方案的简化功能图。无人机400VDC电源使用四个BCM6123固定转换率汇流排转换器提供隔离,并生成48VDC汇流排电源。汇流排电压直接为转子马达供电,两个DCM DC/DC转换器将48VDC汇流排电压转换为独立的12VDC和24VDC稳压电源,以便为控制和遥测电子设备以及无人机摄影镜头供电。



图3 : 透过400VDC系留缆线为无人机供电的示例应用。(source:Vicor)
图3 : 透过400VDC系留缆线为无人机供电的示例应用。(source:Vicor)

透过这种配置,可实现功率密度为2750W/in3的机载5kW电源,而总功率转换器重量(4个BCM和2个DCM)仅为222克。


BCM转换器的双向功能还使其适合用作无人机地面电源,48VDC电池供电将能够为系留缆线电源提供400VDC。


结论

高电压、固定转换率汇流排转换器是一种为系留型无人机供电的高效方式,具有最小散热片要求,节省空间,同时具备重量很轻的特性,使无人机设计工程师能够最大程度地提高有效负载能力,并减少系留缆线阻力。 同样,正弦振幅转换器之低EMI特性减小了对额外笨重滤波器元件的要求,从而进一步提高了无人机的有效载荷能力。


(本文作者Mark Patrick任职於贸泽电子)


叁考资料


[1]资料来源:Technavio


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