采用DC-DC模块的无人机电源解决方案

时间:2016-03-29

    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、重量、功率密度、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,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。
    1 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。
    2 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。
    3 无人机的典型电源链
    在典型无人机电源链中,有一个基于涡轮的发电机提供三相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。
    为了提高高效率,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。


    如图1所示的电源链,有两级DC-DC转换,由于稳压在下完成,其中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。为了提高效率和降低成本,隔离和稳压没有在DC-DC转换器的每个级重复。
    如图2所示,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。
    270V至28V电源链的应用之一是GaAs发射器,如图3所示。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。
  

    BCM和PRM模块可以配置超过1千瓦的电源阵列。
    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。
   

    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%。
    4 并联BCM和PRM的技术
    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。
   

    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。
    5 正弦振幅转换器拓扑结构
    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。
    SAC拓扑结构是BCM模块中的一个动态、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。
   

    6 ZVS升压-降压拓扑结构
    PRM(前置稳压器模块)采用一个升压-降压稳压器控制架构,以提供高效率升压/降压稳压。
    PRM在固定开关频率下工作,通常在1 MHz(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。
    如图8所示,ZVS升压-降压拓扑结构有四个级。
   

    (1)Q1和Q4导通为变压器储存能量,然后是ZVS过渡的Q3导通。
    (2)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。
    (3) Q2和Q3对续流级导通,然后是ZVS过渡的Q4导通。
    (4)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。
    7 28V/270V输入源到多路输出DC-DC转换
    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,如图9所示。
   

    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,Coop Power ZVS降压稳压器将28V转换为负载所需的电压。
    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,如图10所示。
   

    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%。
    8 ChiP——转换器级封装
    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。
    9 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。
   

    9.1 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0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。
    9.2 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0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。
    9.3 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。
  

    10 无人机数据链的电源解决方案
    如图14所示,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。

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