采用DC-DC模塊的無(wú)人機電源解決方案

摘要：在設計針對無(wú)人機(UAV)的電源系統時(shí)，設計人員所關(guān)心的參數是尺寸、重量、功率密度、功率重量比、效率、熱管理、靈活性和復雜性。體積小、重量輕、功率密度高(SWaP)可以讓無(wú)人機攜帶更多的有效載荷，飛行和續航時(shí)間更長(cháng)，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，最大限度地提高續航時(shí)間和飛行時(shí)間，也使熱管理盡可能容易，因為即使是更少的功率損耗都會(huì )傳遞熱量。高度靈活性和低復雜性可以使電源系統設計更加容易，并讓無(wú)人機設計人員專(zhuān)注于無(wú)人機設計的其他部分，而不是花太多時(shí)間在電源系統設計;它縮短了設計時(shí)間，并使設計變得不那么復雜。

1 無(wú)人機的種類(lèi)

　　無(wú)人機可以從遠程位置進(jìn)行控制，或基于預先配置來(lái)自動(dòng)運行。無(wú)人機有許多應用，從取保候審(recognizance)到消防，都可以由不同類(lèi)別的無(wú)人機實(shí)現。

2 無(wú)人機的電源

　　根據子系統的負載要求，無(wú)人機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瓦和運行數天的無(wú)人機理想選擇。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、燃氣輪機、柴油發(fā)電機等。

3 無(wú)人機的典型電源鏈

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

　　系統和數據鏈路，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轉換器或niPoL(非隔離式負載點(diǎn))需要為負載提供28V或48V DC母線(xiàn)所需的電壓。

　　為了提高高效率，高電壓DC母線(xiàn)(270V、48V或28V)沿著(zhù)無(wú)人機的電源鏈進(jìn)行優(yōu)先配電。由配電引起的功率損耗基于I2R(R為線(xiàn)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，還有很長(cháng)的配電長(cháng)度。

　　在安全方面，在高電壓DC母線(xiàn)(270V)和低電壓DC母線(xiàn)之間需要進(jìn)行隔離，當低于60V的電壓與高電壓隔離開(kāi)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DC-DC轉換，由于穩壓在下一級完成，其中第一級需要隔離和非穩壓的DC-DC轉換器，而由于隔離在上游完成;第二級需要穩壓和非隔離的DC-DC轉換器。為了提高效率和降低成本，隔離和穩壓沒(méi)有在DC-DC轉換器的每個(gè)級重復。

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

　　270V至28V電源鏈的應用之一是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(mǎn)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)隔離和非穩壓的DC-DC轉換器模塊，可通過(guò)一個(gè)固定比、K系數為SELV輸出提供高輸入電壓。對于這個(gè)特定器件(MBCM270x450M270A00)，K系數為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)為負載提供穩壓的穩壓和非隔離的DC-DC轉換器模塊。由于PRM輸出電壓可以調整，針對GaAs發(fā)射器它可以調低至28V。

　　BCM是一個(gè)隔離和非穩壓的DC-DC轉換器。PRM是一個(gè)穩壓和非隔離的DC-DC轉換器。

　　在上一段已經(jīng)提到，隔離和穩壓并沒(méi)有由DC-DC轉換的每個(gè)級，或電源鏈中的具體DC-DC轉換器進(jìn)行重復，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轉換的整體效率達到了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)信號實(shí)現均流，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應考慮以下幾點(diǎn)：

　　(1)通過(guò)對稱(chēng)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(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(PR引腳)來(lái)實(shí)現各個(gè)模塊的均流，同時(shí)，具體模塊的啟用/禁用信號(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模塊可設置為一個(gè)電源陣列中的“主”，以驅動(dòng)其他負責反饋和穩壓的“從”P(pán)RM模塊。

5 正弦振幅轉換器拓撲結構

　　母線(xiàn)轉換器模塊(BCM)采用SAC拓撲結構，從而實(shí)現了卓越的效率和功率密度。

　　SAC拓撲結構是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)諧振拓撲結構，它在等于初級側儲能電路諧振諧振頻率的固定頻率下工作。初級側的開(kāi)關(guān)FET被鎖定在初級的自然諧振頻率，在零交叉點(diǎn)來(lái)開(kāi)關(guān)，從而消除了開(kāi)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-降壓拓撲結構

　　PRM?(前置穩壓器模塊)采用一個(gè)專(zhuān)利升壓-降壓穩壓器控制架構，以提供高效率升壓/降壓穩壓。

　　PRM在固定開(kāi)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(kāi)關(guān)順序是相同的，無(wú)論它是降壓還是升壓。