系留型无人机供电设计指南

作者：贸泽电子Mark Patrick

系留型无人机应用

系留无人机和普通无人机市场正在以惊人的速度增长，预计2020年的增长速度会达到61％ ，这种快速增长的一个原因是由于需要持续性空中平台应用和用户数量的持续增加。与运行时间受限的普通无人机不同，系留型无人机不需要携带电源，从而能够增大有效负载。在大多数天气条件下，它们可以在高达200米的高空飞行长达24小时，具有很高的耐力水平。系留型无人机的应用包括传统安全、情报收集和监视以及其它用例，它们的长时间飞行能力使其非常适合在人道主义危机期间提供应急通信网络，监视大型工业园区内的消防以及拍摄大型户外运动赛事等等。随着系留型无人机的应用不断扩展，其技术挑战也随之变大。在无人机中集成更多功能增加了有效载荷重量，通过增大系留型无人机的运行高度可以得到一些益处，但也同时带来了更大系绳阻力。同样，增加飞行时间要求加强安全监控，提供更多备用电源，并需要诸如降落伞等安全功能。

系留型无人机供电技术挑战

为系留型无人机供电具有一些技术挑战。UAV中需要功率的主要部分是转子驱动马达、控制电子设备和其它有效载荷应用，其中马达驱动在可用功率预算中占最大比例。由于电缆具有电阻，在足够长的电缆上传输足够的功率会导致传输损耗。为了获得最大的有效载荷，需要将电缆的重量保持最轻，这对其中导体的厚度施加了限制。但较细的导体会增大电缆电阻，随着工作高度的提升，电缆电阻会变得越来越重要。

为了达到无人机的功率传输要求，保持较低配电损耗的唯一可行方式是沿系留电缆传输高电压，并在无人机内将功率转换为所需电平。由于无人机重量为主要限制因素，功率转换组件也需要轻量化。使用高直流电压能够降低在系留电缆中流动的电流（I=P/V），从而允许采用直径较小的系留电缆，并降低功率（I2R）损耗。当下，业界的发展趋势正朝着在系留电缆中传输高达400VDC电压迈进，并在无人机中使用一个或多个DC/DC转换器为转子电机和应用电路供电。

选择具有高压输入的DC/DC

能够提供DC/DC转换器的供应商有很多，但是要找到一个可以支持高达400VDC电压输入的转换器则大大缩小了可选范围。转换器还需要具有宽转换率，例如，需要能够转换到48VDC输出。

满足此项要求的一个DC/DC转换器示例是Vicor BCM6123系列高电压总线转换器模块。

BCM6123系列具有固定的转换率，称为K因子，并且效率很高，通常可达到98％。例如，BCM6123xD1E5135T01支持高达400VDC的输入电压，K因子为1/8，并能够提供高达1750瓦的功率。具备固定转换率的转换器（也称为总线转换器）通常不具备输出电压调节，然而这可以根据需要通过其他下游DC/DC转换器来实现。由于固定转换率转换器不包含稳压组件，因此它们能够具备更高效率，并具有更高功率密度。产生较少的废热也简化了热管理需求，这可以进一步减轻系统重量。

图1：固定转换率转换器可对输入电压进行升压和降压，并且适合于双向功率转换。（来源：Vicor）

图1所示为一个隔离式固定转换率转换器，其K因子为1/12。得益于Vicor BCM系列的独特设计，它们既可用于升压，也可用于降压。请注意，如果需要反向操作从低压电源产生高压，则必须首先以正常正向模式（forward mode）启动转换器。在此示例中，400VDC输入实现了33VDC输出。同样，低压侧的33VDC输入产生400VDC输出。Vicor BCM系列固定转换率转换器可以并联配置，以满足更高的输出功率需求，也可以串联配置以提供更高的输出电压。

所有Vicor BCM系列均使用正弦幅度转换器（SAC）拓扑架构，以提供更高水平的转换效率。大多数DC/DC转换器拓扑架构使用转换器的脉冲宽度调制（PWM）开关驱动电路的占空比来控制次级功率输出。为了将开关组件的损耗降到最低，PWM频率一般不超过几百kHz。

图2：正弦幅度转换器简化电路。（来源：Vicor）

SAC是一种基于变压器的谐振拓扑架构。开关转换器工作在初级侧LC等效电路的固定谐振频率，在零交叉点执行开关可消除开关器件的功率损耗，从而显著提高转换效率并减少高阶噪声谐波的产生。与使用方波驱动信号的可变PWM占空比不同，SAC转换器使用更高频率（通常为几个MHz），并调整驱动信号的幅度以适应较大的输出负载。使用较高的开关频率还有助于减小变压器尺寸，从而减轻重量。

传输线影响

系留电缆的电路特性需要在设计过程中进行研究，关键因素是每单位长度的电阻、电容和电感。

较短的电缆可充当大容量LCR电路，但较长的系留电缆更像是具有分布式LCR属性的传输线。通过系留电缆仿真可以帮助应对传输线的影响，尤其是在解决初始接通期间的输入浪涌方面。在系留电缆上正确地端接一个输出滤波器可以减轻输入电涌对无人机的影响。一般而言，如果电源尖峰的上升时间超过线路延迟的十倍，则可将系留电缆视为较短。

无人机供电实际案例

图3所示为无人机高压直流传输解决方案的简化功能框图。无人机的400VDC电源使用四个BCM6123固定转换率总线转换器提供隔离，并生成48VDC总线电源。总线电压直接为转子电机供电，两个DCM DC/DC转换器将48VDC总线电压转换为独立的12VDC和24VDC稳压电源，以便为控制和遥测电子设备以及无人机摄像头供电。

图3：通过一个400VDC系留电缆为无人机供电的应用案例。（来源：Vicor）

通过这种配置，可实现功率密度为2750W/in3的机载5kW电源，而功率转换器总重量（4个BCM和2个DCM）仅为222克。

BCM转换器的双向功能还使其适合用作无人机的地面电源，48VDC电池供电将能够为系留电缆电源提供400VDC电压。

结论

高电压、固定转换率总线转换器是一种为系留型无人机供电的高效方式，它有最低的散热片要求，节省空间，同时具备重量很轻的特点，使无人机设计工程师能够最大程度地提高有效载荷能力，并减少系留电缆重量。同样，正弦幅度转换器的低EMI特性降低了对额外笨重滤波器组件的要求，从而进一步提高了无人机的有效载荷能力。