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采用DC-DC模块的无人机(UAV)电源解决方案

时间:2015-12-10 14:45 栏目:主页 > 电源与空调 >
在设计针对无人机(UAV)的电源系统时,设计人员所关心的参数是尺寸(S)、重量(W)、功率密度(P)、功率重量比、效率、热管理、灵活性和复杂性。
  摘要:

  在设计针对无人机(UAV)的电源系统时,设计人员所关心的参数是尺寸(S)、重量(W)、功率密度(P)、功率重量比、效率、热管理、灵活性和复杂性。
 
  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。
  无人机的种类
近距离无人机 短程无人机 耐力型无人机
范围 50公里 200公里 > 200公里
耐力 30分钟至2小时 8至10小时 > 24小时
重量 2-10磅 < 10,000磅 < 229,000磅
速度 - < 300 mph < 454 mph
海拔高度 < 1000英尺 < 50,000英尺 < 65,000英尺
有效载荷 - < 3,800磅       < 1,900磅      
 
  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。 
  MIL-COTS BCM:
MBCM270x450M270A00
MIL-COTS PRM:
MPRM48Nx480M500A00
拓扑结构 SAC ZVS升压-降压
输入电压: 230-330V 38-55V
输出电压: 38.3-55V 48V(20-55V)
输出电流: 6.25A 10.42A
输出功率: 270W 500W
效率: > 96% 高达97%
功率密度 > 919 W/in3 1729 W/in3
隔离:
稳压:
输出调整
K系数: 1/6 不适用
VI Chip封装: J形引线或通孔 J形引线或通孔
尺寸: 32.5×22×6.25(mm) 32.5×22×6.25(mm)
重量: 14.5克 14.5克
并联能力:
军用标准: MIL-STD-704E/F
表1
 
  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5b(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。

  1.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)
 
  由于有效载荷,如航空、数据链路、雷达、飞行控制系统都需要一个15V、12V、5V、3.3V的电压范围,需要下游DC-DC转换器或niPoL提供所需电压作为有效载荷的多路输出。
 
  除了整流器,还有非稳压和非隔离的270Vdc,这个MIL-COTS DCM DC-DC转换器和Picor ZVS降压稳压器可提供经隔离和稳压的多路输出。
 
  在第一级,MDCM DC-DC将一个非稳压输入(28V或270V)转换为一个经隔离和稳压的28V,然后通过下游非隔离式ZVS稳压器转换为多路输出。
 
  在后一级,Coop Power ZVS降压稳压器将28V转换为负载所需的电压。
 
  表2简要说明了DCM和Picor ZVS降压稳压器的规格,所以,它可以帮助了解它们在270V / 28V的电源链工作时对多路输出转换的作用。
  MIL-COTS DCM:
MDCM28A280M320A50
MDCM270A28M500A40
Picor ZVS降压稳压器:
PI33xx-00-LGIZ
PI34xx-00-LGIZ
拓扑结构 双箝位ZVS ZVS降压
输入电压: 28V(16-50V)
270V(160-420V)
8-36V宽输入
输出电压: 28V 1V、2.5V、3.3.V、5V、12V、15V
输出电流: 11.43A、17.86A 8A、10A、15A
输出功率: 320W、500W 高达120W
效率: 高达93.6% 高达96.5%
功率密度 1244 W/in3 不适用
隔离:
稳压:
输出调整
封装: 3623 ChiP、4623 ChiP LGA SiP
尺寸: 38.72×22.8×7.26mm
47.91×22.8×7.26mm
10×14×2.6mm
重量: 24g、29.2g 0.8克
军用标准: MIL-STD-704E/F 不适用
并联能力:
                                                 表2

 
                           
图10(多路输出解决方案的效率)
 
  DCM是一个隔离和稳压的DC-DC转换器。

  ZVS降压稳压器是一个稳压和非隔离的DC-DC转换器。

  在上一段已经提到,为了有更高的效率,不会重复隔离和稳压。

  虽然稳压是由DCM和ZVS降压稳压器重复进行的,由于ZVS降压稳压器的高效率,从高电压到所需电压的整体效率可以达到高于90%。
 
  ChiP——转换器级封装:
                            图11(ChiP等效电路热模型)
 
  DCM DC-DC转换器通过突破性封装技术——转换器级封装(ChiP)技术进行封装。

  为了实现更高的功率效率、密度和设计灵活性,需要功率元件封装技术的持续改进,因此,ChiP的推出优化了电气和热性能。

  ChiP产品的设计在PCB两面都有功率元件,可减少由于寄生的损耗,通过整个封装均匀彻底地散热,并利用了顶部和底部表面散热。

  ChiP产品封装在热增强型模压化合物中,降低了温差,为便于使用热管理配件,提供了平整的模块顶部和底部表面,如散热器、冷板、热管等。
 
  ZVS降压拓扑结构:

  如图11所示,除了一个连接在输出电感器两端的附加箝位开关,ZVS降压拓扑结构与传统降压转换器相同。增加的箝位开关允许将能量存储在输出电感器中,用来实现零电压开关。
                                          图12(ZVS降压拓扑结构)

  图12显示了ZVS降压拓扑结构的时序图,它主要由三个状态组成,如下所示。

  -Q1导通阶段

  假设Q1在谐振过渡后的近零电压开启。当D-S电压几乎为零时,Q1在零电流开启。MOSFET和输出电感器中的电流斜升,准时达到由Q1决定的峰值电流。在Q1导通阶段,能量存储在输出中,并为输出电容器充电。在Q1导通阶段,Q1中的功耗是由MOSFET导通电阻决定的;开关损耗可以忽略不计。

  -Q2导通阶段

  Q1迅速关闭,接着是一个很短时间的体二极管导通,这增加了可以忽略不计的功耗。接下来,Q2开启,存储在输出电感器中的能量被传送到负载和输出电容器。当电感器电流达到零时,同步MOSFET保持足够长的时间,在输出电感器中存储一些来自输出电容器的能量。电感器电流为负值。

  -箝位阶段

  一旦控制器已确定有足够的能量存储在电感器中,同步MOSFET关闭,箝位开关开启,箝位Vs节点至输出电压。箝位开关隔离输出电感器电流与输出,同时以几乎无损的方式用电流来循环存储的能量。在箝位阶段,由输出电容器提供的输出在该阶段持续很短时间。

  当箝位阶段结束时,箝位开关被打开。输出电感器中储存的能量与Q1和Q2输出电容产生谐振,导致Vs节点对输入电压振铃。

  这个振铃对Q1的输出电容放电,减少了Q1的米勒电荷,并为Q2的输出电容充电。当Vs节点几乎等于输入电压时,这允许以无损方式方式开启Q1。
 
                                    图13(ZVS降压时序图) 
 
  无人机的军用标准
 
  在一些无人机应用中,需要满足MIL-STD-461 MIL-STD-704/1275等军用标准,分别代表EMI和瞬态。

  Vicor还提供滤波模块,以及兼容Vicor DC-DC转换器来满足标准要求。

  表3显示了Vicor滤波模块选项,它可以符合特定军用标准,同时兼容一起使用的Vicor DC-DC模块。

                                                        表3
 
  无人机数据链的电源解决方案:

                                   图13(无人机数据链解决方案)
 
  对于无人机数据链解决方案,Picor滤波模块(MPQI-18)和DC-DC模块(Cool-Power PI31xx)可用来提供针对12V和15V的50W(总共100W),以符合MIL-STD-461E EMI要求。

  MQPI-18是一个采用LGA封装(25×25×4.5mm,2.4G)的滤波模块,用来满足MIL-STD-461E的EMI要求。

  MIL级Cool-Power DC-DC转换器采用PSiP(22×16.5×6.7mm,7.8g)封装,用来为所需电压提供宽范围输入(16-50V)。

  采用Picor滤波模块和DC-DC转换器模块的解决方案可以兼容MIL-STD461E,而不是大尺寸的被动元件,可实现无人机数据链及其他设备的高密度电源解决方案。
 
  结论:

  利用Vicor模块化电源解决方案,可以使无人机电源系统设计具有体积小、重量轻和高密度的特点,携带更多有效载荷和执行更多任务。

  同时,Vicor将提供创新、高性能和良好品质的电源元件/解决方案,为客户提供竞争优势。
 
  公司概述:

  Vicor公司设计、制造和销售用于航空航天和国防电子、企业和高性能计算、工业设备和自动化、电信和网络基础设施,以及车辆和运输市场的模块化功率元件和完整电源系统。
 
  白皮书参考:

  1. SAC和ZVS升压-降压拓扑结构:分比式电源架构和VI Chip

  2. ZVS降压拓扑结构:高性能ZVS降压稳压器

  3. ChiP封装:ChiP热管理
来源:IDCUN 作者:IDCUN
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