采用DC-DC模块的无人机电源解决方案

摘要：在设计针对无人机(UAV)的电源系统时，设计人员所关心的参数是尺寸、重量、功率密度、功率重量比、效率、热管理、灵活性和复杂性。体积小、重量轻、功率密度高(SWaP)可以让无人机携带更多的有效载荷，飞行和续航时间更长，并完成更多的任务。更高的效率可以尽可能利用能源效率，最大限度地提高续航时间和飞行时间，也使热管理尽可能容易，因为即使是更少的功率损耗都会传递热量。高度灵活性和低复杂性可以使电源系统设计更加容易，并让无人机设计人员专注于无人机设计的其他部分，而不是花太多时间在电源系统设计;它缩短了设计时间，并使设计变得不那么复杂。

1 无人机的种类

　　无人机可以从远程位置进行控制，或基于预先配置来自动运行。无人机有许多应用，从取保候审(recognizance)到消防，都可以由不同类别的无人机实现。

2 无人机的电源

　　根据子系统的负载要求，无人机有几种可供选择的电源。

　　锂离子电池是一种常用的电源，由于体积小和成本较低，是100瓦和运行数天的无人机理想选择。为了有更高的能量密度和功率密度，还可以选择其他替代电源，包括太阳能电池系统、燃气轮机、柴油发电机等。

3 无人机的典型电源链

　　在典型无人机电源链中，有一个基于涡轮的发电机提供三相AC电源，通过整流器转换为270V DC，然后通过隔离式DC-DC转换器转换为48V DC或28V DC。

　　系统和数据链路，其中每一个都需要一个3.3V、5V和12V等电压范围。因此，下游DC-DC转换器或niPoL(非隔离式负载点)需要为负载提供28V或48V DC母线所需的电压。

　　为了提高高效率，高电压DC母线(270V、48V或28V)沿着无人机的电源链进行优先配电。由配电引起的功率损耗基于I2R(R为线电阻)，由于较高的电压可以最大限度地降低损耗，从而降低了电流;尤其是大型无人机，还有很长的配电长度。

　　在安全方面，在高电压DC母线(270V)和低电压DC母线之间需要进行隔离，当低于60V的电压与高电压隔离开时，就符合了SELV(安全特低电压)要求。

　　如图1所示的电源链，有两级DC-DC转换，由于稳压在下一级完成，其中第一级需要隔离和非稳压的DC-DC转换器，而由于隔离在上游完成;第二级需要稳压和非隔离的DC-DC转换器。为了提高效率和降低成本，隔离和稳压没有在DC-DC转换器的每个级重复。

　　如图2所示，除了整流器，还有非隔离和非稳压的270V DC，通过MIL-COTS BCM(母线转换器模块)和MIL-COTS PRM(前置稳压器模块)转换到负载用的一个经隔离和稳压的电压，如28V。

　　270V至28V电源链的应用之一是GaAs发射器，如图3所示。有效载荷、GaAs发射器都需要超过200瓦的功率。为了满足电力需求，需要将BCM模块和PRM模块并联至电源阵列，以提高输出功率。

　　BCM和PRM模块可以配置超过1千瓦的电源阵列。

　　BCM模块是一个隔离和非稳压的DC-DC转换器模块，可通过一个固定比、K系数为SELV输出提供高输入电压。对于这个特定器件(MBCM270x450M270A00)，K系数为1/6，因此输出电压始终为输入电压的1/6，270V输入有45V输出。

　　PRM模块是一个为负载提供稳压的稳压和非隔离的DC-DC转换器模块。由于PRM输出电压可以调整，针对GaAs发射器它可以调低至28V。

　　BCM是一个隔离和非稳压的DC-DC转换器。PRM是一个稳压和非隔离的DC-DC转换器。

　　在上一段已经提到，隔离和稳压并没有由DC-DC转换的每个级，或电源链中的具体DC-DC转换器进行重复，为的是获得更高的效率。

　　因此，通过使用BCM和PRM模块，270V至28V DC-DC转换的整体效率达到了93.12%。

4 并联BCM和PRM的技术

　　在并联BCM模块的同时，通过阻抗匹配而不是并联信号实现均流，很容易连接每个BCM模块的输入和输出，如图5a和5b所示。并联BCM应考虑以下几点：

　　(1)通过对称布局完成输入和输出互连阻抗匹配，如图5b所示。

　　(2)均匀冷却使具体BCM模块温度彼此接近。

　　(3)每个BCM模块的启用/禁用信号(PC引脚)都需要在同一时间连接来启动每个模块。

　　为了并联PRM模块(图6)，需要使用并联信号(PR引脚)来实现各个模块的均流，同时，具体模块的启用/禁用信号(PC引脚)需要连接来同时启动所有模块。如图6所示，一个PRM模块可设置为一个电源阵列中的“主”，以驱动其他负责反馈和稳压的“从”PRM模块。

5 正弦振幅转换器拓扑结构

　　母线转换器模块(BCM)采用SAC拓扑结构，从而实现了卓越的效率和功率密度。

　　SAC拓扑结构是BCM模块核心中的一个动态、高性能引擎。

　　SAC是基于变压器的串联谐振拓扑结构，它在等于初级侧储能电路谐振谐振频率的固定频率下工作。初级侧的开关FET被锁定在初级的自然谐振频率，在零交叉点来开关，从而消除了开关中的功耗，提高了效率并大大减少了高阶噪声谐波的产生。初级的谐振回路是纯正弦波(图7所示)，从而可降低谐波含量，提供了更干净的输出噪声频谱。由于SAC的高工作频率，可使用较小的变压器来提高功率密度和效率。

6 ZVS升压-降压拓扑结构

　　PRM®(前置稳压器模块)采用一个专利升压-降压稳压器控制架构，以提供高效率升压/降压稳压。

　　PRM在固定开关频率下工作，通常在1 MHz(最大1.5 MHz)，它还具有提高输出功率的并联能力。ZVS升压-降压开关顺序是相同的，无论它是降压还是升压。