無(wú)人機(jī)電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案探討

在設(shè)計(jì)無(wú)人機(jī)(UAV)用的電源系統(tǒng)時(shí)，設(shè)計(jì)人員所關(guān)心的參數(shù)是尺寸(S)、重量(W)、功率密度(P)、功率重量比、效率、熱管理、靈活性和復(fù)雜性。體積小、重量輕、功率密度高(SWaP)可以讓無(wú)人機(jī)攜帶更多的有效負(fù)載，飛行和續(xù)航時(shí)間更長(zhǎng)，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，最大限度地延遲續(xù)航時(shí)間和飛行時(shí)間，也可使熱管理盡可能容易，因?yàn)榧词故禽^少的功率損耗也會(huì)導(dǎo)致熱傳遞。高靈活性和低復(fù)雜性不僅可以使電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)更加容易，而且還可讓無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)人員專(zhuān)注于無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)之其他部分，而不是在電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)上花大量的時(shí)間;它不僅可節(jié)省設(shè)計(jì)完成時(shí)間，還可降低設(shè)計(jì)復(fù)雜性。

為了充分利用上述優(yōu)勢(shì)，Vicor模組電源解決方案可通過(guò)最全面產(chǎn)品組合的高效率、高密度、配電架構(gòu)，為效能關(guān)鍵性無(wú)人機(jī)應(yīng)用提供完整的電源解決方案。

無(wú)人機(jī)的種類(lèi)：

無(wú)人機(jī)可以從遠(yuǎn)端位置進(jìn)行控制，或基于預(yù)編程組態(tài)自動(dòng)運(yùn)行。無(wú)人機(jī)有許多應(yīng)用，從具結(jié)到消防，都可以由不同類(lèi)別的無(wú)人機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

無(wú)人機(jī)的電源：

根據(jù)子系統(tǒng)之負(fù)載要求，無(wú)人機(jī)有幾個(gè)電源選項(xiàng)。

鋰離子電池是一種常用的電源，體積較小、成本較低，因此是100瓦和運(yùn)行數(shù)天的無(wú)人機(jī)的理想選擇。

為了有更高的能量密度和功率密度，還可以選擇其他的備選電源，包括太陽(yáng)能電池系統(tǒng)、燃?xì)廨啓C(jī)以及柴油發(fā)電機(jī)等。

無(wú)人機(jī)的典型電源鏈：

圖1 ： 無(wú)人機(jī)電源鏈

在典型的無(wú)人機(jī)電源鏈中，有一個(gè)基于渦輪的發(fā)電機(jī)提供3相AC電源，其可通過(guò)整流器轉(zhuǎn)換為270VDC電源，然后通過(guò)隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為48VDC電源或28VDC電源。

無(wú)人機(jī)上有許多有效負(fù)載，包括雷達(dá)、影像、航空電子、導(dǎo)航、制導(dǎo)、飛控系統(tǒng)和數(shù)據(jù)傳輸鏈路，其中每一個(gè)都需要一個(gè)3.3V、5V及12V等的電壓范圍。因此，下游DC-DC轉(zhuǎn)換器或非隔離式負(fù)載點(diǎn)(niPoL)都需要為所需的負(fù)載電壓提供28V或48V DC母線(xiàn)。

為了實(shí)現(xiàn)高效率，高電壓DC母線(xiàn)(270V、48V或28V)沿著無(wú)人機(jī)的電源鏈進(jìn)行優(yōu)先配電。配電引起的功率損耗系以I2R(R線(xiàn)阻)為主，由于提高電壓可以最大限度地降低配電損耗，因而可減少電流;對(duì)于大型無(wú)人機(jī)更是如此，因?yàn)橛泻荛L(zhǎng)的配電長(zhǎng)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(dāng)?shù)陀?0V的電壓與高電壓隔離開(kāi)時(shí)，就符合安全超低電壓(SELV)要求。

根據(jù)圖1所顯示的電源鏈，有兩級(jí)DC-DC轉(zhuǎn)換，由于穩(wěn)壓在下一級(jí)完成，其中第一級(jí)需要隔離之非穩(wěn)壓DC-DC轉(zhuǎn)換器，而由于隔離在上游完成，第二級(jí)則需要穩(wěn)壓之非隔離DC-DC轉(zhuǎn)換器。為了實(shí)現(xiàn)更高的效率和更低的解決方案成本，隔離和穩(wěn)壓沒(méi)有在DC-DC轉(zhuǎn)換器的每一級(jí)重復(fù)。

270V至28V DC-DC轉(zhuǎn)換：

圖2

除了整流器，還有非隔離之非穩(wěn)壓270VDC電壓，藉由MIL-COTS BCM(母線(xiàn)轉(zhuǎn)換器模組)和MIL-COTS PRM(前置穩(wěn)壓器模組)轉(zhuǎn)換到負(fù)載用的一個(gè)隔離、穩(wěn)壓的電壓，如28V。

GaAs發(fā)射器：

270V至28V電源鏈的應(yīng)用之一是GaAs發(fā)射器，其方框圖如圖3所示。

圖3 ： GaAs發(fā)射器電源鏈

有效負(fù)載、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模組和PRM模組并聯(lián)至電源陣列，以提高輸出功率。下面一段談?wù)勅绾尾⒙?lián)具有均流能力的BCM和PRM。

BCM和PRM模組可以組態(tài)超過(guò)1千瓦的電源陣列。

BCM模組是一款隔離的非穩(wěn)壓DC-DC轉(zhuǎn)換器模組，可藉由一個(gè)固定比K系數(shù)為SELV輸出提供高電壓輸入。就這個(gè)特定零部件(MBCM270x450M270A00)而言，K系數(shù)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模組是一款穩(wěn)壓的非隔離DC-DC轉(zhuǎn)換器模組，可為負(fù)載提供穩(wěn)壓的電壓。由于PRM輸出電壓可以微調(diào)，因此它可針對(duì)GaAs發(fā)射器調(diào)低至28V。

圖4 ： GaAs發(fā)射器解決方案的效率

BCM是一款隔離的非穩(wěn)壓DC-DC轉(zhuǎn)換器。

PRM是一款穩(wěn)壓的非隔離DC-DC轉(zhuǎn)換器。

上一段已經(jīng)提到，隔離和穩(wěn)壓并沒(méi)有由DC-DC轉(zhuǎn)換的每一級(jí)、或電源鏈中的單個(gè)DC-DC轉(zhuǎn)換器重復(fù)，為的是獲得更高的效率。

因此，藉由使用BCM和PRM模組，270V至28V DC-DC轉(zhuǎn)換的整體效率可達(dá)到93.12%。

并聯(lián)BCM和PRM的技術(shù)：

圖5

在并聯(lián)BCM模組的同時(shí)，很容易連接每個(gè)BCM模組的輸入和輸出，從而可藉由阻抗匹配(而不是并聯(lián)信號(hào))來(lái)實(shí)現(xiàn)均流，如圖5a和5b所示。并聯(lián)BCM應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)。

1.藉由對(duì)稱(chēng)布局完成輸入輸出互連阻抗匹配，如圖5b所示。

2.均勻冷卻使單個(gè)BCM模組溫度彼此接近。

3.每個(gè)BCM模組的啟用/禁用信號(hào)(PC引腳)都需要連接起來(lái)，在同一時(shí)間啟動(dòng)每個(gè)模組。

圖6 ： 并聯(lián)PRM

要并聯(lián)PRM模組(圖6)，需要使用并聯(lián)信號(hào)(PR引腳)來(lái)實(shí)現(xiàn)各個(gè)模組的均流，同時(shí)，具體模組的啟用/禁用信號(hào)(PC引腳)需要連接起來(lái)，以便同時(shí)啟動(dòng)所有模組。如圖6所示，一個(gè)PRM模組可設(shè)置為一個(gè)電源陣列中的「主」，以驅(qū)動(dòng)其它負(fù)責(zé)回饋和穩(wěn)壓的「從」PRM模組。

正弦振幅轉(zhuǎn)換器(Sine Amplitude Converter，SAC)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：

母線(xiàn)轉(zhuǎn)換器模組(BCM)采用SAC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從而可實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的效率和功率密度。

圖7 ： SAC轉(zhuǎn)換器