Hur man utformar effektiva modulära kraftförsörjningsnät för kabelanslutna drönare

Obemannade luftfarkoster eller "drönare" används i allt större utsträckning för krävande tillämpningar, som t.ex. militär markspaning, brandbekämpning och jordbruk. Dessa och många andra användningsområden kräver att drönaren är i luften under långa perioder, så batterier är inte ett alternativ. Drönaren får istället sin ström via en kabel under hela flygningen.

Kablar medför dock nya utmaningar. En tjockare kabel har en lägre elektrisk resistans men belastar drönaren mer, vilket begränsar dess lastförmåga. Tunna kablar ökar den elektriska resistansen, vilket leder till oacceptabel effektförlust och spänningsfall över de vanligtvis långa längderna på drönarens kablar. Ingenjörerna försöker överbrygga förlusterna i samband med tunnare kablar genom att öka spänningen i kabeln upp till 800 V. En sådan ökning bidrar till att sänka strömmen för ett givet effektbehov.

Utmaningen blir då att hantera den höga spänningen i drönaren. Drönarens kraftdistributionsnät måste kunna hantera den höga spänningen och på ett effektivt sätt sänka den till de lägre spänningar som drönarens system kräver. Alla lösningar för krafthantering måste vara lätta och kompakta för att minimera påverkan på farkostens lastkapacitet.

Artikeln diskuterar fördelarna med kraftförsörjningssystem med höga spänningar för kabelanslutna drönare. Därefter förklarar den varför högeffektiva bussomvandlarmoduler (BCM:er) med hög effekt och hög effekttäthet samt step-down (buck) spänningsomvandlare med nollspänningsomkoppling (ZVS) är ett bra alternativ vid utformning av kraftdistributionsnät i tillämpningar med kabelanslutna drönare. Exempel på BCM:er och ZVS-buck-omvandlare från Vicor presenteras och används för att visa hur man kan utforma ett lätt, men ändå effektivt kraftnät.

Högre spänningar möjliggör lättare kablar

Med kabelanslutningar slipper konstruktörerna de begränsningar som batterier innebär för drönare (figur 1). Drönarna kan förbli luftburna under långa perioder, förutsatt att det finns tillgång till markbaserad ström, vilket gör att de kan användas som observationsplattformar eller radioreläer bortom horisonten. Nackdelen är att drönaren måste hissa upp en potentiellt tung kabel i luften, vilket kan begränsa både dess räckvidd och dess lastkapacitet för nyttolast som kameror eller radioutrustning.

Figur 1: Drönare kan vara uppe i luften under långa perioder med hjälp av strömförsörjning via en kabel. (Bildkälla: Vicor)

Kommersiella drönare kräver flera likspänningar för sina olika system. Som exempel, är 48 V vanligt för motorer, medan 12, 5 och 3,3 V är typiskt för sensorer, ställdon och styrelektronik. Tunna, lätta kablar gör det lättare att begränsa viktbelastningen på drönaren, men kabelns högre resistans (resistansen ökar när kabelns tvärsnitt minskar) kan orsaka ett oacceptabelt högt spänningsfall (definierat som ett spänningsfall på mer än 3-5 procent av källspänningen i kabelns bortre ände) och effektförlust över långa kabellängder vid användning av en strömförsörjning på 48 V.

Kabelns spänningsfall och effektförlust är proportionell mot strömmen den transporterar snarare än mot spänningen. En kommersiell drönare som exempelvis kräver en konstant effekt på 1,5 kW och drivs via en strömförsörjning på 48 V kräver en strömstyrka på 1500/48 = 31,25 A. Samma effekt kan tillhandahållas genom att öka spänningen, vilket minskar strömbehovet och därmed spänningsfallet och effektförlusten. Om man exempelvis använder en spänningsmatning på 800 V krävs en ström på endast 1500/800 = 1,9 A. En sådan strömförsörjning gör det möjligt för konstruktören att använda en lätt kabel på ett säkert sätt.

Ett kraftförsörjningsnätverk för en drönare

För att dra nytta av högre matningsspänningar och lättare kablar måste ingenjörerna utforma kraftdistributionsnät som på ett säkert och effektivt sätt kan sänka de höga spänningarna i kabeln till de arbetsspänningar som krävs för drönarens system.

Figur 2 visar ett exempel på ett sådant nätverk. Nätverket är uppbyggt med BCM:er och ZVS-buckomvandlare från Vicor.

Figur 2: Ett kraftfördelningsnät för en kabelansluten drönare. Observera hur den buss på 48 V som används för markbaserade system ökas till 800 V i kabeln och sedan minskas tillbaka till 48 V vid drönaren. (Bildkälla: Vicor)

I det här exemplet omvandlar en BCM den trefasiga växelströmmen på 208 V till 48 V DC för drönarens markbaserade datorsystem. ZVS-buckomvandlaren minskar strömförsörjningen på 48 V till de 12, 5 och 3,3 V som används av de enskilda markbaserade enheterna. DC-strömförsörjningen på 48 V ökas sedan av en andra BCM till 800 V för att minimera spänningsfallet och energiförlusterna i kabelanslutningen.

I drönaren sänker en tredje BCM spänningen tillbaka till 48 V. Drönarens kraftfördelningsnätverk innehåller ytterligare en buck-omvandlare för att förse kameror, sensorer och logiska enheter med lämpliga spänningar.

De föreslagna BCM:erna för denna tillämpning är BCM4414VD1E5135C02 från Vicor för den inledande omvandlingen från 208 V AC till 48 V DC och BCM4414VH0E5035M02 för omvandlingen från 48 V DC till 800 V DC och återomvandlingen.

BCM4414VD1E5135C02 arbetar med en buss på 260 till 400 V och har en sekundär utspänning på 32,5 till 51,3 V. Enheten har en kontinuerlig sekundärström på upp till 35 A, en effekttäthet på upp till 49 ^W/cm3 och en toppverkningsgrad på 97,7 procent (figur 3).

Figur 3: Vicors bussomvandlarmoduler har en bra verkningsgrad i ett stort område för sekundärströmmar (T_CASE = 25 ˚C). (Bildkälla: Vicor)

BCM4414VH0E5035M02 arbetar med en buss på 500 till 800 V och har en sekundär utspänning på 31,3 till 50 V, med en maximal kontinuerlig uteffekt på 1,5 kW. Kontinuerlig sekundärström, effekttäthet och toppverkningsgrad är identiska med systerprodukten. BCM levereras i en kapsling på 110,5 x 35,5 x 9,4 mm och väger 145 g.

BCM:erna från Vicor har även flexibla alternativ för värmehantering med mycket låga termiska impedanser på över- och undersidan. Genom att använda enheterna kan konstruktören av kraftsystemet minska storleken och vikten på kabelanslutningen, markförsörjningen och drönaren.

BCM:erna från Vicor är DC-till-DC-strömförsörjningar, så den inledande trefasiga växelströmsmatningen på 208 V måste omvandlas till likspänning före den första BCM:en i figur 2. En lämplig enhet för likriktning av växelström är en inspänningsmodul för AC (AIM), som t.ex. AIM1714VB6MC7D5C00 från Vicor (figur 4). AIM-enheten tar en inspänning på 85-264 V AC och tillhandahåller en AC-utspänning med en ström på upp till 5,3 A och en effekt på upp till 450 W.

Figur 4: BCM:en kräver en likriktad AC-inspänning. En enhet som Vicors trefasiga AIM-modul är en lösning. (Bildkälla: Vicor)

Buck-reglering med hög effekttäthet och flexibilitet

När BCM:en i markstationen eller drönaren har reglerat spänningen till 48 V DC krävs ZVS-buckomvandlare för att sänka spänningen ytterligare för spänningsmatningar till de olika systemen. Särskilt i drönare måste buckomvandlarna ha hög effekttäthet och vara effektiva så att de utgör en kompakt och lätt strömförsörjning. ZVS-buckregulatorer är väl lämpade för uppgiften.

Switchningsförlusterna i konventionella spänningsregulatorer med MOSFET:ar är en huvudsaklig orsak till ineffektivitet och har en negativ inverkan på effekttätheten. ZVS hanterar dessa förluster och har en särskild fördel för buckomvandlare som arbetar med en relativt hög inspänning.

Mekanismen för ZVS (även känd som "mjuk switchning") är komplicerad men kan bäst definieras som konventionell pulsbreddsmodulering (PWM) under MOSFET:ens på-tid, men med "resonanta" switchningsövergångar. Reglering av utspänningen uppnås genom att justera den effektiva arbetscykeln (och därmed "på"-tiden) genom att variera switchningsregulatorns omvandlingsfrekvens.

Under ZVS-omkopplingens avstängningstid resonerar regulatorns L-C-krets, vilket gör att spänningen över switchningen går från noll till sin topp och sedan tillbaka till noll när switchen kan aktiveras igen. I processen, är den switchade spänningsregulatorns MOSFET-förluster noll, oavsett driftfrekvens och inspänning, vilket innebär betydande energibesparingar och en avsevärd förbättring av verkningsgraden. (Se "En genomgång av nollspänningsomkoppling och dess betydelse för spänningsreglering".)

Vicor tillverkar en mängd ZVS-buckregulatorer som är integrerade med styrkretsar, effekthalvledare och stödkomponenter i LGA-, BGA- och SiP-kapslingar med hög densitet. De switchande spänningsregulatorerna kompletterar de BCM:er som används i andra delar av drönarens kraftfördelningskrets. ZVS-buckregulatorerna har god effekttäthet och flexibilitet för högeffektiv DC-DC-reglering av belastningspunkten. De kan användas för att effektivt transformera ner bussen på 48 V till 3,3, 5 och 12 V för de övriga delsystemen i drönaren.

Exempel på ZVS-buckregulatorer är familjen PI352x-00. Regulatorerna PI352x-00 kräver endast en extern induktor, två resistorer för spänningsval och ett minimalt antal kondensatorer för att bilda en komplett DC-DC-buckregulator med switchningsläge. Alla regulatorer arbetar med en inspänning på 30-60 V. Det finns tre enheter i familjen: PI3523-00, som ger en nominell utspänning på 3,3 V (2,2 till 4 V) och upp till 22 A, PI3525-00, som ger en nominell utspänning på 5 V (4 till 6,5 V) och upp till 20 A, och PI3526-00, som ger en nominell utspänning på 12 V (6,5 till 14 V) och upp till 18 A. Enheterna levereras i en LGA SiP med måtten 10 x 14 x 2,56 mm.

Lägg till ZVS-regulatorer i nätverket för krafttäthet

Det krävs en del konstruktionsarbete för att optimera prestandan hos ZVS-buckregulatorerna i drönarens kraftdistributionsnät. Figur 5 visar de externa komponenter som krävs för respektive medlem i familjen PI352x-00.

Figur 5: ZVS-buck-regulatorn från Vicor kräver en extern induktor, ett resistornät för att ställa in utgångsspänningen samt kondensatorer för filtrering. (Bildkälla: Vicor)

Enheterna kräver alla en extern induktor. Vicor har beräknat induktansvärdet för energilagringsenheten för att maximera effektiviteten. För regulatorerna PI3523 och PI3525 rekommenderas en induktor på 230 nH, medan en induktor på 480 nH rekommenderas för användning med P13526.

Även om respektive medlem av familjen PI352x-00 kan hantera inspänningen på 48 V DC från respektive BCM direkt (inspänningsområdet för buck-regulatorerna är 30 till 60 V DC), måste man välja en utspänningsresistor för att ställa in utspänningen - REA1 och REA2 - som tillsammans bildar ett resistornät.

Oavsett utspänning bör REA2 vara på 1 kΩ för bästa möjliga störningsimmunitet. Värdet för REA1 kan sedan beräknas med hjälp av följande formel:

Förutom induktansvärden rekommenderar Vicor även värden för kondensatorerna C_IN och C_OUT för att garantera korrekt start av och högfrekvensavkoppling för effektsteget. Familjen PI352x-00 drar nästan all högfrekvent ström från sina keramiska kondensatorer med låg impedans när de huvudsakliga MOSFET:arna på primärsidan leder. Under den tid då MOSFET:erna är avstängda, fylls kondensatorerna på från källan. I tabell 1 anges kondensatorvärdena och de resulterande rippelströmmarna och -spänningarna.

Tabell 1: Rekommenderade värden för Vicor P1352x inspännings- och utspänningskondensatorer vid nominell nätspänning och nominell trimning. (Tabellkälla: Vicor)

För att garantera optimal effektivitet och låg elektromagnetisk interferens (EMI) med familjen PI352x-00 är det viktigt med minimalt ledningsmotstånd och återkopplingsslingor för hög ström, tillsammans med korrekt placering av komponenterna. Figur 6 visar den rekommenderade layouten för regulatorn och externa komponenter. Det här är den layout som används av utvärderingskortet PI3526-00-EVAL1 PI352x-00.

Figur 6: Optimal layout för Vicor ZVS-regulatorn, induktorn samt inspännings- och utspänningskondensatorer. (Bildkälla: Vicor)

Den blå slingan i figur 6 visar den smala vägen mellan inspännings- och utspänningskondensatorerna (och V_IN och V_OUT) för regulatorns AC-returström på primärsidan, vilket bidrar till verkningsgraden.

Sammanfattning

För att optimera räckvidden och lastkapaciteten hos drönare har ingenjörer använt sig av högspänningskablar. De minimerar energiförbrukningen och spänningsfallet i kablarna. Kablarnas höga spänning måste dock regleras på ett säkert och effektivt sätt till busspänningar och sedan minskas ytterligare till de spänningsmatningar som krävs för drönarens elektroniska system.

Hög effekttäthet och effektiva BCM:er från Vicor ger en lättimplementerad lösning för att minska och öka spänningarna mellan markstationen, kabeln och drönaren. BCM:erna kompletteras av ZVS-buckomvandlare med låg switchningsförlust, med en verkningsgrad på 97 procent när de sänker bussspänningen till de 3,3, 5 och 12 V som krävs för drönarens olika delsystem.