采用DCi DC模塊的無人機電源解決方案

摘要：在設計針對無人機（UAV）的電源系統時，設計人員所關心的參數是尺寸、重量、功率密度、功率重量比、效率、熱管理、靈活性和復雜性。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，飛行和續航時間更長，并完成更多的任務。更高的效率可以盡可能利用能源效率，最大限度地提高續航時間和飛行時間，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。高度靈活性和低復雜性可以使電源系統設計更加容易，并讓無人機設計人員專注于無人機設計的其他部分，而不是花太多時間在電源系統設計；它縮短了設計時間，并使設計變得不那么復雜。本文網絡版地址：http：∥www.eepw.com.cn/article/283526.htm

關鍵詞：無人機；電源系統；無人機電源；電源鏈

DOI：10.3969/i.issn.1005-5517.2015.11.014

1無人機的種類

無人機可以從遠程位置進行控制，或基于預先配置來自動運行。無人機有許多應用，從取保候審（recognizance）到消防，都可以由不同類別的無人機實現。

2無人機的電源

根據子系統的負載要求，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、燃氣輪機、柴油發電機等。

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電機提供三相AC電源，通過整流器轉換為270VDC，然后通過隔離式DC.DC轉換器轉換為48VDC或28VDC。

系統和數據鏈路，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，當低于60V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轉換，由于穩壓在下一級完成，其中第一級需要隔離和非穩壓的Dc-Dc轉換器，而由于隔離在上游完成：第二級需要穩壓和非隔離的DC-DC轉換器。為了提高效率和降低成本，隔離和穩壓沒有在DC-DC轉換器的每個級重復。

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

270V至28V電源鏈的應用之一是GaAs發射器，如圖3所示。有效載荷、GaAs發射器都需要超過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壓的DC-DC轉換器模塊，可通過一個固定比、K系數為SELV輸出提供高輸入電壓。對于這個特定器件（MBCM270x450M270A00），K系數為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壓的穩壓和非隔離的DC-DC轉換器模塊。由于PRM輸出電壓可以調整，針對GaAs發射器它可以調低至28V。

BcM是一個隔離和非穩壓的DC-DC轉換器。PRM是一個穩壓和非隔離的DC-DC轉換器。

在上一段已經提到，隔離和穩壓并沒有由DC-DC轉換的每個級，或電源鏈中的具體DC-DC轉換器進行重復，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轉換的整體效率達到了93.12%。

4并聯BCM和PRM的技術

在并聯BCM模塊的同時，通過阻抗匹配而不是并聯信號實現均流，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BCM應考慮以下幾點：

（1）通過對稱布局完成輸入和輸出互連阻抗匹配，如圖5b所示。

（2）均勻冷卻使具體BCM模塊溫度彼此接近。

（3）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PRM模塊（圖6），需要使用并聯信號（PR引腳）來實現各個模塊的均流，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模塊可設置為一個電源陣列中的“主”，以驅動其他負責反饋和穩壓的“從”PRM模塊。

5正弦振幅轉換器拓撲結構

母線轉換器模塊（BCM）采用SAC拓撲結構，從而實現了卓越的效率和功率密度。

SAC拓撲結構是BCM模塊核心中的一個動態、高性能引擎。

SAC是基于變壓器的串聯諧振拓撲結構，它在等于初級側儲能電路諧振諧振頻率的固定頻率下工作。初級側的開關FET被鎖定在初級的自然諧振頻率，在零交叉點來開關，從而消除了開關中的功耗，提高了效率并大大減少了高階噪聲諧波的產生。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升壓一降壓拓撲結構

PRM（前置穩壓器模塊）采用一個專利升壓一降壓穩壓器控制架構，以提供高效率升壓/降壓穩壓。

PRM在固定開關頻率下工作，通常在1MHz（最大1.5 MHz），它還具有提高輸出功率的并聯能力。ZVS升壓一降壓開關順序是相同的，無論它是降壓還是升壓。

如圖8所示，ZVS升壓一降壓拓撲結構有四個級。

（1）Q1和Q4導通為變壓器儲存能量，然后是ZVS過渡的Q3導通。

（2）Q1和Q3導通為從輸入到輸出提供路徑，然后是ZVS過渡的Q2導通。

（3）Q2和Q3對續流級導通，然后是ZVS過渡的Q4導通。

（4）在箝位階段Q2和Q4導通，然后是ZVS過渡的Q1導通。

完成4級之后，就是一個循環。

7 28V，270V輸入源到多路輸出DC-DC轉換

由于有效載荷，如航空、數據鏈路、雷達、飛行控制系統都需要一個1SV、12V、5V、3.3V的電壓范圍，需要下游DC-Dc轉換器或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，還有非穩壓和非隔離的270VDC，這個MIL-COTS DCMDC-DC轉換器和Picor ZVS降壓穩壓器可提供經隔離和穩壓的多路輸出。

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

在后一級，Coop Power ZVS降壓穩壓器將28V轉換為負載所需的電壓。

DCM是一個隔離和穩壓的DC-DC轉換器。ZVS降壓穩壓器是一個穩壓和非隔離的DC-DC轉換器，如圖10所示。

在上一段已經提到，為了有更高的效率，不會重復隔離和穩壓。

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

8 ChiP——轉換器級封裝

DCM DC-DC轉換器通過突破性封裝技術

轉換器級封裝（ChiP）技術進行封裝。

為了實現更高的功率效率、密度和設計靈活性，需要功率元件封裝技術的持續改進，因此，ChiP的推出優化了電氣和熱性能。

ChiP產品的設計在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降壓拓撲結構

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，ZVS降壓拓撲結構與傳統降壓轉換器相同。增加的箝位開關允許將能量存儲在輸出電感器中，用來實現零電壓開關。

圖12顯示了ZVS降壓拓撲結構的時序圖，它主要由三個狀態組成，如下所示。

9.1 Q1導通階段

假設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導通階段，能量存儲在輸出中，并為輸出電容器充電。在Q1導通階段，Q1中的功耗是由MOSFET導通電阻決定的：開關損耗可以忽略不計。

9.2 Q2導通階段

Q1迅速關閉，接著是一個很短時間的體二極管導通，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關閉，箝位開關開啟，箝位Vs節點至輸出電壓。箝位開關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很短時間。

當箝位階段結束時，箝位開關被打開。輸出電感器中儲存的能量與Q1和Q2輸出電容產生諧振，導致Vs節點對輸入電壓振鈴。

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節點幾乎等于輸入電壓時，這允許以無損方式方式開啟Q1。

10無人機數據鏈的電源解決方案

如圖14所示，對于無人機數據鏈解決方案，Picor濾波模塊（MPQI-18）和DC-DC模塊（Cool-Power P131xx）可用來提供針對12V和15V的50W（總共100W），以符合MIL-STD-461E EMI要求。

MQPI-18是一個采用LGA封裝（25×25×4.5mm，2.4G）的濾波模塊，用來滿足MIL-STD-461E的EMI要求。

MIL級Cool-Power DC-DC轉換器采用PSiP（22×16.5×6.7mm，7.8g）封裝，用來為所需電壓提供寬范圍輸入（16-50V）。

采用Picor濾波模塊和DC-DC轉換器模塊的解決方案可以兼容MIL-STD461E，而不是大尺寸的被動元件，可實現無人機數據鏈及其他設備的高密度電源解決方案。