采用DC-DC模塊的無人機電源解決方案 - 全文

　　摘要：在設(shè)計針對無人機（UAV）的電源系統(tǒng)時，設(shè)計人員所關(guān)心的參數(shù)是尺寸、重量、功率密度、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）可以讓無人機攜帶更多的有效載荷，飛行和續(xù)航時間更長，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(xù)航時間和飛行時間，也使熱管理盡可能容易，因為即使是更少的功率損耗都會傳遞熱量。高度靈活性和低復(fù)雜性可以使電源系統(tǒng)設(shè)計更加容易，并讓無人機設(shè)計人員專注于無人機設(shè)計的其他部分，而不是花太多時間在電源系統(tǒng)設(shè)計;它縮短了設(shè)計時間，并使設(shè)計變得不那么復(fù)雜。

　　1 無人機的種類

　　無人機可以從遠程位置進行控制，或基于預(yù)先配置來自動運行。無人機有許多應(yīng)用，從取保候?qū)彛╮ecognizance）到消防，都可以由不同類別的無人機實現(xiàn)。

　　2 無人機的電源

　　根據(jù)子系統(tǒng)的負載要求，無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(shù)天的無人機理想選擇。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，包括太陽能電池系統(tǒng)、燃氣輪機、柴油發(fā)電機等。

　　3 無人機的典型電源鏈

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

　　系統(tǒng)和數(shù)據(jù)鏈路，其中每一個都需要一個3.3V、5V和12V等電壓范圍。因此，下游DC-DC轉(zhuǎn)換器或niPoL（非隔離式負載點）需要為負載提供28V或48V DC母線所需的電壓。

　　為了提高高效率，高電壓DC母線（270V、48V或28V）沿著無人機的電源鏈進行優(yōu)先配電。由配電引起的功率損耗基于I2R（R為線電阻），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;尤其是大型無人機，還有很長的配電長度。

　　在安全方面，在高電壓DC母線（270V）和低電壓DC母線之間需要進行隔離，當?shù)陀?0V的電壓與高電壓隔離開時，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(zhuǎn)換，由于穩(wěn)壓在下一級完成，其中第一級需要隔離和非穩(wěn)壓的DC-DC轉(zhuǎn)換器，而由于隔離在上游完成;第二級需要穩(wěn)壓和非隔離的DC-DC轉(zhuǎn)換器。為了提高效率和降低成本，隔離和穩(wěn)壓沒有在DC-DC轉(zhuǎn)換器的每個級重復(fù)。

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

　　270V至28V電源鏈的應(yīng)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200瓦的功率。為了滿足電力需求，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1千瓦的電源陣列。

　　BCM模塊是一個隔離和非穩(wěn)壓的DC-DC轉(zhuǎn)換器模塊，可通過一個固定比、K系數(shù)為SELV輸出提供高輸入電壓。對于這個特定器件（MBCM270x450M270A00），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模塊是一個為負載提供穩(wěn)壓的穩(wěn)壓和非隔離的DC-DC轉(zhuǎn)換器模塊。由于PRM輸出電壓可以調(diào)整，針對GaAs發(fā)射器它可以調(diào)低至28V。

　　BCM是一個隔離和非穩(wěn)壓的DC-DC轉(zhuǎn)換器。PRM是一個穩(wěn)壓和非隔離的DC-DC轉(zhuǎn)換器。

　　在上一段已經(jīng)提到，隔離和穩(wěn)壓并沒有由DC-DC轉(zhuǎn)換的每個級，或電源鏈中的具體DC-DC轉(zhuǎn)換器進行重復(fù)，為的是獲得更高的效率。

　　因此，通過使用BCM和PRM模塊，270V至28V DC-DC轉(zhuǎn)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，通過阻抗匹配而不是并聯(lián)信號實現(xiàn)均流，很容易連接每個BCM模塊的輸入和輸出，如圖5a和5b所示。并聯(lián)BCM應(yīng)考慮以下幾點：

　?。?）通過對稱布局完成輸入和輸出互連阻抗匹配，如圖5b所示。

　?。?）均勻冷卻使具體BCM模塊溫度彼此接近。

　?。?）每個BCM模塊的啟用/禁用信號（PC引腳）都需要在同一時間連接來啟動每個模塊。

　　為了并聯(lián)PRM模塊（圖6），需要使用并聯(lián)信號（PR引腳）來實現(xiàn)各個模塊的均流，同時，具體模塊的啟用/禁用信號（PC引腳）需要連接來同時啟動所有模塊。如圖6所示，一個PRM模塊可設(shè)置為一個電源陣列中的“主”，以驅(qū)動其他負責反饋和穩(wěn)壓的“從”PRM模塊。

　　5 正弦振幅轉(zhuǎn)換器拓撲結(jié)構(gòu)

　　母線轉(zhuǎn)換器模塊（BCM）采用SAC拓撲結(jié)構(gòu)，從而實現(xiàn)了卓越的效率和功率密度。

　　SAC拓撲結(jié)構(gòu)是BCM模塊核心中的一個動態(tài)、高性能引擎。

　　SAC是基于變壓器的串聯(lián)諧振拓撲結(jié)構(gòu)，它在等于初級側(cè)儲能電路諧振諧振頻率的固定頻率下工作。初級側(cè)的開關(guān)FET被鎖定在初級的自然諧振頻率，在零交叉點來開關(guān)，從而消除了開關(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提高功率密度和效率。

　　6 ZVS升壓-降壓拓撲結(jié)構(gòu)

　　PRM?（前置穩(wěn)壓器模塊）采用一個專利升壓-降壓穩(wěn)壓器控制架構(gòu)，以提供高效率升壓/降壓穩(wěn)壓。

　　PRM在固定開關(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-降壓開關(guān)順序是相同的，無論它是降壓還是升壓。

　　如圖8所示，ZVS升壓-降壓拓撲結(jié)構(gòu)有四個級。

　?。?）Q1和Q4導(dǎo)通為變壓器儲存能量，然后是ZVS過渡的Q3導(dǎo)通。

　?。?）Q1和Q3導(dǎo)通為從輸入到輸出提供路徑，然后是ZVS過渡的Q2導(dǎo)通。

　　（3） Q2和Q3對續(xù)流級導(dǎo)通，然后是ZVS過渡的Q4導(dǎo)通。

　?。?）在箝位階段Q2和Q4導(dǎo)通，然后是ZVS過渡的Q1導(dǎo)通。

　　完成4級之后，就是一個循環(huán)。

　　7 28V/270V輸入源到多路輸出DC-DC轉(zhuǎn)換

　　由于有效載荷，如航空、數(shù)據(jù)鏈路、雷達、飛行控制系統(tǒng)都需要一個15V、12V、5V、3.3V的電壓范圍，需要下游DC-DC轉(zhuǎn)換器或niPoL提供所需電壓作為有效載荷的多路輸出，如圖9所示。

　　除了整流器，還有非穩(wěn)壓和非隔離的270VDC，這個MIL-COTS DCM DC-DC轉(zhuǎn)換器和Picor ZVS降壓穩(wěn)壓器可提供經(jīng)隔離和穩(wěn)壓的多路輸出。

　　在第一級，MDCM DC-DC將一個非穩(wěn)壓輸入（28V或270V）轉(zhuǎn)換為一個經(jīng)隔離和穩(wěn)壓的28V，然后通過下游非隔離式ZVS穩(wěn)壓器轉(zhuǎn)換為多路輸出。

　　在后一級，Coop Power ZVS降壓穩(wěn)壓器將28V轉(zhuǎn)換為負載所需的電壓。

　　DCM是一個隔離和穩(wěn)壓的DC-DC轉(zhuǎn)換器。ZVS降壓穩(wěn)壓器是一個穩(wěn)壓和非隔離的DC-DC轉(zhuǎn)換器，如圖10所示。

　　在上一段已經(jīng)提到，為了有更高的效率，不會重復(fù)隔離和穩(wěn)壓。

　　雖然穩(wěn)壓是由DCM和ZVS降壓穩(wěn)壓器重復(fù)進行的，由于ZVS降壓穩(wěn)壓器的高效率，從高電壓到所需電壓的整體效率可以達到高于90%。

　　8 ChiP——轉(zhuǎn)換器級封裝

　　DCM DC-DC轉(zhuǎn)換器通過突破性封裝技術(shù)——轉(zhuǎn)換器級封裝（ChiP）技術(shù)進行封裝。

　　為了實現(xiàn)更高的功率效率、密度和設(shè)計靈活性，需要功率元件封裝技術(shù)的持續(xù)改進，因此，ChiP的推出優(yōu)化了電氣和熱性能。

　　ChiP產(chǎn)品的設(shè)計在PCB兩面都有功率元件，可減少由于寄生的損耗，通過整個封裝均勻徹底地散熱，并利用了頂部和底部表面散熱。

　　ChiP產(chǎn)品封裝在熱增強型模壓化合物中，降低了溫差，為便于使用熱管理配件，提供了平整的模塊頂部和底部表面，如散熱器、冷板、熱管等。

　　9 ZVS降壓拓撲結(jié)構(gòu)

　　如圖11所示，除了一個連接在輸出電感器兩端的附加箝位開關(guān)，ZVS降壓拓撲結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)降壓轉(zhuǎn)換器相同。增加的箝位開關(guān)允許將能量存儲在輸出電感器中，用來實現(xiàn)零電壓開關(guān)。

　　圖12顯示了ZVS降壓拓撲結(jié)構(gòu)的時序圖，它主要由三個狀態(tài)組成，如下所示。

　　9.1 Q1導(dǎo)通階段

　　假設(shè)Q1在諧振過渡后的近零電壓開啟。當D-S電壓幾乎為0時，Q1在零電流開啟。MOSFET和輸出電感器中的電流斜升，準時達到由Q1決定的峰值電流。在Q1導(dǎo)通階段，能量存儲在輸出中，并為輸出電容器充電。在Q1導(dǎo)通階段，Q1中的功耗是由MOSFET導(dǎo)通電阻決定的;開關(guān)損耗可以忽略不計。

　　9.2 Q2導(dǎo)通階段

　　Q1迅速關(guān)閉，接著是一個很短時間的體二極管導(dǎo)通，這增加了可以忽略不計的功耗。接下來，Q2開啟，存儲在輸出電感器中的能量被傳送到負載和輸出電容器。當電感器電流達到0時，同步MOSFET保持足夠長的時間，在輸出電感器中存儲一些來自輸出電容器的能量。電感器電流為負值。

　　9.3 箝位階段

　　一旦控制器已確定有足夠的能量存儲在電感器中，同步MOSFET關(guān)閉，箝位開關(guān)開啟，箝位Vs節(jié)點至輸出電壓。箝位開關(guān)隔離輸出電感器電流與輸出，同時以幾乎無損的方式用電流來循環(huán)存儲的能量。在箝位階段，由輸出電容器提供的輸出在該階段持續(xù)很短時間。

　　當箝位階段結(jié)束時，箝位開關(guān)被打開。輸出電感器中儲存的能量與Q1和Q2輸出電容產(chǎn)生諧振，導(dǎo)致Vs節(jié)點對輸入電壓振鈴。

　　這個振鈴對Q1的輸出電容放電，減少了Q1的米勒電荷，并為Q2的輸出電容充電。當Vs節(jié)點幾乎等于輸入電壓時，這允許以無損方式方式開啟Q1。