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无人机直流高压电源体系规划 Vicor模组化电源解决方案

在规划无人机(UAV)用的直流高压电源体系时,规划人员所关怀的参数是尺度(S)、分量(W)、功率密度(P)、功率分量比、功率、热办理、灵活性和复杂性。体积小、分量轻、功率密度高(SWaP)可以让无人机带着更多的有用负载,飞翔和续航时刻更长,并完结更多的使命。
更高的功率可以尽可能运用能源功率,最大极限地推迟续航时刻和飞翔时刻,也可使热办理尽可能简单,因为即使是较少的功率损耗也会导致热传递。高灵活性和低复杂性不只可以使直流高压电源体系规划愈加简单,并且还可让无人机规划人员专心于无人机规划之其他部分,而不是在直流高压电源体系规划上花大量的时刻;它不只可节约规划完结时刻,还可下降规划复杂性。
  为了充沛运用上述优势,Vicor模组直流高压电源解决方案可经过最全面产品组合的高功率、高密度、配电架构,为效能关键性无人机运用供给完整的直流高压电源解决方案。
  无人机的品种:
 无人机可以从远端方位进行操控,或依据预编程组态自动运转。无人机有许多运用,从具结到消防,都可以由不同类别的无人机来完结。
  无人机的直流高压电源:
  依据子体系之负载要求,无人机有几个直流高压电源选项。
  锂离子电池是一种常用的直流高压电源,体积较小、本钱较低,因而是100瓦和运转数天的无人机的抱负挑选。
  为了有更高的能量密度和功率密度,还可以挑选其他的备选直流高压电源,包含太阳能电池体系、燃气轮机以及柴油发电机等。
  无人机的典型直流高压电源链:
  
无人机直流高压电源体系规划 Vicor模组化电源解决方案

  图1 : 无人机直流高压电源链
  在典型的无人机直流高压电源链中,有一个依据涡轮的发电机供给3相AC直流高压电源,其可经过整流器变换为270VDC直流高压电源,然后经过阻隔式DC-DC变换器变换为48VDC直流高压电源或28VDC直流高压电源。
  无人机上有许多有用负载,包含雷达、印象、航空电子、导航、制导、飞控体系和数据传输链路,其间每一个都需求一个3.3V、5V及12V等的电压范围。因而,下流DC-DC变换器或非阻隔式负载点(niPoL)都需求为所需的负载电压供给28V或48V DC母线。
  为了完结高功率,高电压DC母线(270V、48V或28V)沿着无人机的直流高压电源链进行优先配电。配电引起的功率损耗系以I2R(R线阻)为主,因为进步电压可以最大极限地下降配电损耗,因而可削减电流;关于大型无人机更是如此,因为有很长的配电长度。

  在安全方面,在高电压DC母线(270V)和低电压DC母线之间需求进行阻隔,当低于60V的电压与高电压阻隔开时,就契合安全超低电压(SELV)要求。

  依据图1所显现的直流高压电源链,有两级DC-DC变换,因为直流高压电源鄙人一级完结,其间榜首级需求阻隔之非直流高压电源DC-DC变换器,而因为阻隔在上游完结,第二级则需求直流高压电源之非阻隔DC-DC变换器。为了完结更高的功率和更低的解决方案本钱,阻隔和直流高压电源没有在DC-DC变换器的每一级重复。
  270V至28V DC-DC变换:
  除了整流器,还有非阻隔之非直流高压电源270VDC电压,藉由MIL-COTS BCM(母线变换器模组)和MIL-COTS PRM(前置直流高压电源器模组)变换到负载用的一个阻隔、直流高压电源的电压,如28V。
  GaAs发射器:
  270V至28V直流高压电源链的运用之一是GaAs发射器,其方框图如图3所示。
GaAs发射器直流高压电源链

  图3 : GaAs发射器直流高压电源链

  有用负载、GaAs发射器都需求超越200瓦的功率。为了满意电力需求,需求将BCM模组和PRM模组并联至直流高压电源阵列,以进步输出功率。下面一段谈谈怎么并联具有均流才能的BCM和PRM。
  BCM和PRM模组可以组态超越1千瓦的直流高压电源阵列。
  BCM模组是一款阻隔的非直流高压电源DC-DC变换器模组,可藉由一个固定比K系数为SELV输出供给高电压输入。就这个特定零部件(MBCM270x450M270A00)而言,K系数为1/6,因而输出电压始终为输入电压的1/6,270V输入有45V输出。
  PRM模组是一款直流高压电源的非阻隔DC-DC变换器模组,可为负载供给直流高压电源的电压。因为PRM输出电压可以微调,因而它可针对GaAs发射器调低至28V。 
 
GaAs发射器解决方案的功率

  图4 : GaAs发射器解决方案的功率
  BCM是一款阻隔的非直流高压电源DC-DC变换器。
  PRM是一款直流高压电源的非阻隔DC-DC变换器。
  上一段现已说到,阻隔和直流高压电源并没有由DC-DC变换的每一级、或直流高压电源链中的单个DC-DC变换器重复,为的是获得更高的功率。
  因而,藉由运用BCM和PRM模组,270V至28V DC-DC变换的全体功率可到达93.12%。
  并联BCM和PRM的技能:
  在并联BCM模组的一起,很简单连接每个BCM模组的输入和输出,然后可藉由阻抗匹配(而不是并联信号)来完结均流,如图5a和5b所示。并联BCM应考虑以下几点。
1.藉由对称布局完结输入输出互连阻抗匹配,如图5b所示。
2.均匀冷却使单个BCM模组温度互相接近。
3.每个BCM模组的启用/禁用信号(PC引脚)都需求连接起来,在同一时刻发动每个模组。  
  要并联PRM模组(图6),需求运用并联信号(PR引脚)来完结各个模组的均流,一起,详细模组的启用/禁用信号(PC引脚)需求连接起来,以便一起发动一切模组。如图6所示,一个PRM模组可设置为一个直流高压电源阵列中的「主」,以驱动其它负责回馈和直流高压电源的「从」PRM模组。
  正弦振幅变换器(Sine Amplitude Converter,SAC)拓扑结构:
  母线变换器模组(BCM)选用SAC拓扑结构,然后可完结优异的功率和功率密度。

  SAC拓扑结构是一个处于BCM模组中心方位的动态、高效能引擎。
  SAC是依据变压器的串联谐振拓扑结构,在等于初级侧储能电路谐振频率的固定频率下作业。初级侧的开关FET锁定为初级的天然谐振频率,在零交叉点开关,然后可消除开关中的功耗,进步功率,明显削减高阶杂讯谐波的发生。初级谐振回路是纯正弦曲线(图7所示),然后可削减谐波内容,供给更洁净的输出杂讯频谱。因为SAC的高作业频率,可运用较小的变压器来进步功率密度和功率。
  ZVS降压-升压拓扑结构:
  PRM(前置直流高压电源器模组)选用一个专利降压-升压直流高压电源器操控架构来供给高功率升压/降压之直流高压电源。
  ZVS降压-升压
  PRM在固定开关频率下作业,一般为1 MHz(最大值为1.5 MHz),它还具有进步输出功率的并联才能。ZVS降压-升压开关次序是相同的,不管它是降压还是升压。
  ZVS降压-升压拓扑结构有四级。
  - Q1和Q4导通可在变压器内贮存能量,然后藉由Q3进行ZVS改变
  - Q1和Q3导通可供给从输入到输出的路径,然后藉由Q2进行ZVS改变
  - Q2和Q3导通可进入自在轮转级,然后藉由Q4进行ZVS改变
  - 在胁迫阶段Q2和Q4导通,可藉由Q1进行ZVS改变
  - 完结4级之后,就是一个循环。
  28V / 270V输入源到多路输出DC-DC变换:
  航空、材料链、雷达以及飞控体系等有用负载都需求包含15V、12V、5V、3.3V在内的广泛电压,因而需求下流DC-DC变换器或niPoL供给所需的电压作为有用负载的多路输出。
  除了整流器,还有非直流高压电源、非阻隔270VDC直流高压电源,其可藉由MIL-COTS DCM DC-DC变换器和Picor ZVS降压直流高压电源器供给给阻隔、直流高压电源的多路输出。
  在榜首级,MDCM DC-DC将一个非直流高压电源输入(28V或270V)变换为一个阻隔、直流高压电源的28V电压,然后藉由下流非阻隔式ZVS直流高压电源器变换为多路输出。
  在后一级,Coop Power ZVS降压直流高压电源器将28V变换为负载所需的电压。
  DCM是一款阻隔、直流高压电源的DC-DC变换器。
  ZVS降压直流高压电源器是一款直流高压电源、非阻隔的DC-DC变换器。
  在上一段现已说到,为了有更高的功率,阻隔和直流高压电源不会重复。
  尽管直流高压电源是由DCM和ZVS降压直流高压电源器重复进行的,但因为ZVS降压直流高压电源器的高功率,从高电压到所需电压的全体功率可以到达90%以上。
  ChiP—变换器级封装:
  DCM DC-DC变换器藉由突破性封装技能—变换器级封装(ChiP)技能进行封装。
  为了完结更高的功率功率、功率密度和规划灵活性,功率组件封装技能必须继续改进,因而,ChiP的推出可优化电气和热效能。
  ChiP产品的规划在PCB双面都有功率组件,可削减寄生导致的损耗,然后不只可对整个封装均匀彻底地散热,并且还可运用顶部和底部外表进行散热。
  ChiP产品封装在热增强型模压化合物中,不只可下降温差,并且还可为快捷运用热办理配件(散热器、冷板和热管等)供给平坦的模组顶部和底部外表。
  ZVS降压拓扑结构:
  除了一个连接在输出电感器两端的新增胁迫开关外,ZVS降压拓扑结构与惯例降压变换器完全相同。新增的胁迫开关答应将存储在输出电感器中的能量用于完结零电压开关。
  ZVS降压拓扑结构的时序,它主要由以下三个状态组成。
 - Q1导通阶段
  o 假定Q1在共振跃迁后在近零电压下接通。当DS电压简直为零时,Q1在零电流下接通。MOSFET和输出电感器中的电流逐步升高,按时到达由Q1决议的峰值电流。在Q1导通阶段,能量贮存在输出中,可为输出电容器充电。在Q1导通阶段,Q1中的功耗是由MOSFET导通电阻决议的;开关损耗可以忽略不计。
  - Q2导通阶段
  o Q1敏捷关断,接着是一个很短时刻的本体二极体导通,这增加了可以忽略不计的功耗。接下来,Q2接通,贮存在输出电感器中的能量供给给负载和输出电容器。当电感器电流到达零时,同步MOSFET保持很长时刻,当时长足以在输出电感器中贮存一些来自输出电容器的能量。电感器电流略微变为负值。
  -胁迫阶段
  o 一旦操控器断定有足够的能量贮存在电感器中,同步MOSFET就会关断,并且胁迫开关就会接通,将Vs节点胁迫至输出电压。胁迫开关可将输出电感器电流与输出阻隔开来,一起还可以以简直无损耗的方法依照电流形式循环贮存的能量。在胁迫阶段,由输出电容器供给的输出在该阶段继续很短时刻。
  o 当胁迫阶段结束时,胁迫开关就会翻开。输出电感器中贮存的能量会与Q1和Q2输出电容发生谐振,导致Vs节点向输入电压宣布响铃。
  o 该响铃可对Q1的输出电容进行放电,削减Q1的米勒电荷,并可为Q2的输出电容充电。当Vs节点简直等于输入电压并选用无损方法时,就答应Q1接通。ZVS降压时序图
  无人机的军用规范
  在一些无人机运用中,需求满意MIL-STD-461 MIL-STD-704/1275等军用规范,其别离代表EMI和瞬态。
  此外,Vicor还供给滤波器模组和兼容型Vicor DC-DC变换器来完结各种合规性。
  Vicor滤波器模组不只可充沛满意特定军用规范要求,一起还能与兼容型Vicor DC-DC模组调配运用。
  无人机材料链的直流高压电源解决方案: 无人机材料链解决方案
  关于无人机材料链解决方案,Picor滤波器模组(MPQI-18)和DC-DC模组(Cool-Power PI31xx)可用来为12V和15V电压供给50W(一共100W)功率,契合MIL-STD- 461E EMI规范。
  MQPI-18是一款选用LGA封装(25×25×4.5毫米,2.4G)的滤波器模组,用来满意MIL-STD-461E的EMI要求。
  军用级Cool-Power DC-DC变换器选用PSiP(22×16.5×6.7mm,7.8g)封装,用来为所需的电压供给广泛的输入(16-50V)。
  选用Picor滤波器模组和DC-DC变换器模组的解决方案契合MIL-STD461E规范,不是大尺度的被迫组件,可为无人机材料链及其它设备供给高密度直流高压电源解决方案。
  定论
  选用Vicor模组化直流高压电源解决方案,可以使无人机直流高压电源体系的规划具有体积小、分量轻和高密度的特色,然后可带着更多有用负载,履行更多使命。
  此外,Vicor还将供给立异、高效能和杰出质量的直流高压电源组件/解决方案,为客户供给极大的竞赛优势。

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