面向大型無人機(jī)的一種高頻大功率模塊電源設(shè)計(jì)

陶壯壯

（河南工業(yè)和信息化職業(yè)學(xué)院，河南 焦作 454000）

0 引 言

隨著無人機(jī)供電技術(shù)的快速進(jìn)步，無人機(jī)也正朝著更穩(wěn)定的方向發(fā)展，例如更輕型化、更小型化、續(xù)航能力更持久等，同時(shí)人們也對無人機(jī)提出了更高的要求[1]。目前無人機(jī)的供電電源設(shè)計(jì)已經(jīng)趨于成熟，但是大型無人機(jī)的體型較大，在很大程度上影響了無人機(jī)的使用壽命和飛行續(xù)航能力等?；诖?，設(shè)計(jì)一款體積小、高頻率的電源模塊作為大型無人機(jī)的電源裝置。

1 電路原理

一般情況下，大型無人機(jī)的電源變換器都采用隔離型的全橋電路，該結(jié)構(gòu)主要包括變換電路（詳見圖1），高頻變壓器、輸出整流濾波電路、控制電路及輔助電源等（電路運(yùn)作詳見圖2）。為了更有效地提高電源工作的效率，并減小大型無人機(jī)的體積，設(shè)計(jì)了全橋移相電路。

圖1 全橋移相電路原理

圖2 控制電路示意圖

U1和U2構(gòu)成了橋臂進(jìn)行互補(bǔ)，U3和U4構(gòu)成了橋臂進(jìn)行互補(bǔ)。由于U1、U2的驅(qū)動(dòng)信號超前U3和U4，因此將U1和U2視為超前臂，將U3和U4視為滯后臂，通過全橋移相來控制電源變壓器，進(jìn)而有效調(diào)節(jié)電壓[2]。利用全橋移相電路原理實(shí)現(xiàn)電壓開關(guān)的控制，以不同周期為例進(jìn)行闡述。

周期1：U1和U4處于導(dǎo)通狀態(tài)，U2和U3處于截止?fàn)顟B(tài)，以變壓器為主控制兩端的電源，然后導(dǎo)通二極管，截止D2，增大電流線，從而將電流轉(zhuǎn)移到負(fù)載。

周期2：U1截止后，電流線圈中的電流不會(huì)發(fā)生變化，仍然可以維持原有的方向。在超前臂下并聯(lián)C1和C2來進(jìn)行持續(xù)放電，與等效電流感應(yīng)后快速降低左臂的電壓，對D1電壓進(jìn)行導(dǎo)通，隨后關(guān)閉D2[3]。

周期3：結(jié)束震動(dòng)之后，C1和C2完成放電。當(dāng)U2的電流持續(xù)向D2流通時(shí)，則需要關(guān)閉D2。

周期4：U4截止后，將C3和C4進(jìn)行放電。當(dāng)D2開始導(dǎo)通后，連帶著D1也開始導(dǎo)通，電壓器的電壓降低，切斷原邊的電感線流之后，讓C3和C4持續(xù)放電。

周期5：結(jié)束滯后臂震動(dòng)之后，U3內(nèi)的二極管持續(xù)導(dǎo)通，為電壓的開通提供便利[4]。

周期6：開通U3的零電壓后，此時(shí)已經(jīng)導(dǎo)通的U2和U3的電流迅速減小到0，U2和U3持續(xù)關(guān)斷，由此形成一個(gè)新的供電電路。

2 電源設(shè)計(jì)

借助新材料、新器件、新結(jié)構(gòu)以及新工藝不斷優(yōu)化和改進(jìn)全橋移相變換器下的大型無人機(jī)，設(shè)計(jì)出具有更高性能的電源，有效提高電源系統(tǒng)的工作效率。

2.1 前級AC/DC部分

采用A路、B路、C路以及D路等交錯(cuò)的方式來控制無人機(jī)電源的電路，讓無人機(jī)具備較高的兼容性。對輸入的電流、電壓進(jìn)行濾波處理，降低電路損耗。在傳統(tǒng)的無人機(jī)電源電路中，電路輸入的電流和電壓較大，適用功率較小[5]。大型無人機(jī)的電源設(shè)計(jì)方案中，前級AC/DC部分的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 AC/DC結(jié)構(gòu)

全面整合電流之后，電壓最小可達(dá)到280 V，但是由于電路在工作中時(shí)刻處于變化的狀態(tài)，因此當(dāng)電壓小于280 V后則無法用開關(guān)來控制電路。在無人機(jī)的電源電路中，采用分段處理的方式能夠有效避免電壓和電流范圍發(fā)生波動(dòng)。通過穩(wěn)定電壓和電流，有效提高無人機(jī)電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性[6]。在常規(guī)電路下，為了解決各支路的均流問題，還需要采用電流控制的原理在并聯(lián)的工作線路中加入多個(gè)控制環(huán)節(jié)，這樣一來能夠更好地控制電流和電壓，也更容易實(shí)施對支路線路的補(bǔ)償和調(diào)整。當(dāng)各支路電路的電壓和電流相互制衡后，則能夠減少開關(guān)對電源的作用力。

2.2 后級DC/DC部分

常規(guī)電壓和電流進(jìn)行變換時(shí)，對前級輸入交流電壓，分段處理輸入電壓，將前級輸出電壓控制在300～450 V。為了進(jìn)一步減小全橋移相變壓器的電壓和電流的應(yīng)力，可以實(shí)施如圖4所示的結(jié)構(gòu)。將變壓器的兩端先串聯(lián)起來，然后再并聯(lián)，變壓器經(jīng)過全程的整流濾波之后并聯(lián)在一起能夠更好地工作[7]。

圖4 DC/DC結(jié)構(gòu)

3 樣機(jī)實(shí)驗(yàn)及維護(hù)要點(diǎn)

3.1 樣機(jī)實(shí)驗(yàn)

根據(jù)以上分析，設(shè)計(jì)了一臺(tái)額定輸入電壓為400 V、額定輸出電壓為28 V、額定功率為1 kW的大型無人機(jī)樣機(jī)。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，在飛行過程中輕載開關(guān)并沒有實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)（Zero Voltage Switch，ZVS），而滿載開關(guān)則實(shí)現(xiàn)了ZVS，飛行效率較高。由于輕載開關(guān)沒有電壓軟件開關(guān)，因此導(dǎo)致開關(guān)部分的功率損耗較大，而工作效率更是存在開始低、中間高、結(jié)尾低的情況[8]。

3.2 樣機(jī)維護(hù)

在大型無人機(jī)的維護(hù)階段，維護(hù)開始時(shí)需要將無人機(jī)的負(fù)載狀態(tài)切換到維護(hù)狀態(tài)，先停止逆變器的工作，然后解鎖維護(hù)開關(guān)，以此將無人機(jī)的不間斷電源（Uninterruptible Power System，UPS）轉(zhuǎn)移到無人機(jī)的維修旁路，之后再開啟無人機(jī)的主機(jī)維護(hù)[9,10]。當(dāng)無人機(jī)的電壓容量較大時(shí)，在運(yùn)行過程中必須要加強(qiáng)對主機(jī)的檢測，主要檢測主機(jī)設(shè)備的溫度和散熱情況。在主機(jī)工作狀態(tài)下，當(dāng)溫度達(dá)到30 ℃后，隨機(jī)啟用無人機(jī)的散熱風(fēng)扇；當(dāng)溫度達(dá)到50 ℃后，高級散熱風(fēng)扇啟動(dòng)并進(jìn)行報(bào)警。

4 結(jié) 論

通過詳細(xì)分析了全橋移相變換器的工作原理，在此基礎(chǔ)上制作了高頻率大功率的電源樣機(jī)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)出來的全橋移相變換器作為電源應(yīng)用到大型無人機(jī)中具有工作效率高、體積小等優(yōu)點(diǎn)，可以在無人機(jī)領(lǐng)域進(jìn)行有效應(yīng)用。