繫留無人機(jī)應(yīng)用:

繫留無人機(jī)和普通無人機(jī)市場正以驚人速度增長，預(yù)計2020年增長速度將達(dá)到61％[1]，這種快速增長背後原因是由於需要持久性空中平臺的應(yīng)用和用戶數(shù)量持續(xù)增加。與運作時間受限的普通無人機(jī)不同，繫留型無人機(jī)不需要攜帶電源，因而能夠增大有效負(fù)載。

在大多數(shù)天氣條件下，它們可以在高達(dá)200米高空保持飛行達(dá)24小時，具備很高耐力水準(zhǔn)。繫留型無人機(jī)應(yīng)用包括傳統(tǒng)安全性、情報收集和監(jiān)視以及其它用例，它們的長時間飛行能力使其非常適合在人道主義危機(jī)期間提供應(yīng)急通訊網(wǎng)路，監(jiān)視大型工業(yè)園區(qū)內(nèi)的消防以及拍攝大型戶外運動賽事等等。

隨著繫留型無人機(jī)應(yīng)用不斷擴(kuò)展，其技術(shù)挑戰(zhàn)也隨之增加。在無人機(jī)中整合更多功能的需求也增加了有效載荷重量，透過擴(kuò)大繫留型無人機(jī)的運作高度可以得到一些益處，但同時也帶來了更大繫繩纜線阻力。同樣，增加飛行時間要求加強(qiáng)型安全監(jiān)控，提供更多備用電源，並需要提供降落傘等安全功能。

繫留無人機(jī)供電技術(shù)挑戰(zhàn)

為繫留型無人機(jī)供電具有一些技術(shù)挑戰(zhàn)。UAV中需要功率最多的幾個主要部分是轉(zhuǎn)子驅(qū)動馬達(dá)，控制電子設(shè)備和有效載荷，其中馬達(dá)驅(qū)動在可用功率預(yù)算中占最大比例。由於纜線具有電阻，在足夠長纜線上傳輸足夠高功率會導(dǎo)致傳輸損耗。為了獲得最大有效載荷，需要將纜線阻力保持在最小，這對纜線導(dǎo)體厚度施加了限制。但較細(xì)的導(dǎo)體會增大纜線電阻，伴隨運作高度的增加，纜線電阻會變得越來越重要。

為了達(dá)到無人機(jī)功率傳輸要求，保持低配電損耗的唯一可行選擇是沿繫留纜線傳輸高電壓，並在無人機(jī)內(nèi)將功率轉(zhuǎn)換為所需水準(zhǔn)。由於重量為關(guān)鍵限制因素，功率轉(zhuǎn)換元件也需要輕量化。使用高直流電壓能夠降低在繫留纜線中的電流（I=P/V），從而允許採用直徑較小的繫留纜線，並降低功率（I2R）損耗。當(dāng)下，業(yè)界的發(fā)展趨勢正在朝向在繫留纜線中傳輸高達(dá)400VDC電壓，並在無人機(jī)中使用一個或多個DC/DC轉(zhuǎn)換器為轉(zhuǎn)子馬達(dá)和應(yīng)用電路供電。

選擇具有高壓輸入的DC/DC

能夠提供DC/DC轉(zhuǎn)換器的供應(yīng)商有許多，但是要找到一個可以支援高達(dá)400VDC電壓輸入的轉(zhuǎn)換器，則大大縮小可選範(fàn)圍。轉(zhuǎn)換器還需要具有寬轉(zhuǎn)換率，例如，需要能夠轉(zhuǎn)換到48VDC輸出。

適用於此任務(wù)的一個DC/DC轉(zhuǎn)換器示例是Vicor BCM6123系列高電壓匯流排轉(zhuǎn)換器模組。

BCM6123系列具有固定轉(zhuǎn)換率，稱為K因數(shù)，並且效率很高，通常可達(dá)到98％。例如，BCM6123xD1E5135T01支援高達(dá)400VDC輸入電壓，K因數(shù)為1/8，並能夠提供高達(dá)1750瓦功率。具備固定轉(zhuǎn)換率的轉(zhuǎn)換器（也稱為匯流排轉(zhuǎn)換器）通常不具備輸出電壓調(diào)節(jié)功能，然而這可以根據(jù)需要透過其他下游DC/DC轉(zhuǎn)換器來實現(xiàn)。由於固定轉(zhuǎn)換率的轉(zhuǎn)換器不包含穩(wěn)壓元件，因此它們能夠具備更高效率，並具有更高功率密度。產(chǎn)生更少廢熱也簡化了熱管理需求，可以進(jìn)一步減輕重量。

圖1 : 固定轉(zhuǎn)換率的轉(zhuǎn)換器可以對輸入電壓進(jìn)行升壓和降壓，並且適合於雙向功率轉(zhuǎn)換。（source：Vicor）

圖1所示為一個隔離式固定轉(zhuǎn)換率轉(zhuǎn)換器，其K因數(shù)為1/12。籍由Vicor BCM系列的設(shè)計特性，它們可用於升壓或降壓。請注意，如果需要反向操作以從低壓電源產(chǎn)生高壓，則必須首先以正常正向模式（forward mode）啟動轉(zhuǎn)換器。

在此例示中，400VDC輸入實現(xiàn)33VDC輸出。同樣，低壓側(cè)33VDC輸入可以產(chǎn)生400VDC輸出。Vicor BCM系列固定轉(zhuǎn)換率轉(zhuǎn)換器可以平行配置以滿足更高輸出功率需求，也可以串列配置以提供更高輸出電壓。

所有Vicor BCM系列均使用正弦振幅轉(zhuǎn)換器（SAC）拓?fù)洌蕴峁└咚疁?zhǔn)轉(zhuǎn)換效率。大多數(shù)DC/DC轉(zhuǎn)換器拓?fù)浼軜?gòu)使用轉(zhuǎn)換器脈波寬度調(diào)變（PWM）開關(guān)驅(qū)動電路任務(wù)週期來控制次級功率輸出。為了將開關(guān)元件損耗降到最低，PWM頻率一般不超過幾百kHz。

圖2 : 正弦振幅轉(zhuǎn)換器簡化電路。（source：Vicor）

SAC是一種基於變壓器的諧振拓?fù)浼軜?gòu)。開關(guān)轉(zhuǎn)換器操作在初級側(cè)LC等效電路的固定諧振頻率，在零交叉點執(zhí)行開關(guān)可消除開關(guān)器件功率損耗，從而顯著提高轉(zhuǎn)換效率，並減少高階雜訊諧波產(chǎn)生。與透過使用方波驅(qū)動訊號改變PWM任務(wù)週期不同，SAC轉(zhuǎn)換器使用更高頻率（通常為幾個MHz），並調(diào)整驅(qū)動訊號振幅以適應(yīng)增大的輸出負(fù)載。使用較高開關(guān)頻率還有助於減小變壓器尺寸，進(jìn)而減輕重量。

傳輸線影響

繫留纜線之電路特性需要在設(shè)計過程中進(jìn)行研究，關(guān)鍵因素是每單位長度電阻、電容和電感。

較短纜線可充當(dāng)大容量LCR電路，但較長繫留纜線更像是具有分散式LCR屬性的傳輸線。透過繫留纜線模擬可以幫助應(yīng)對傳輸線影響，尤其是在解決最初接通期間輸入浪湧方面。正確使用輸出濾波器來終止繫留纜線可以減輕輸入電湧對無人機(jī)影響。一般而言，如果電源尖峰上升時間超過線路延遲十倍，則可將繫留纜線視為較短。

為無人機(jī)供電實際用例

圖3所示為無人機(jī)高壓直流傳輸解決方案的簡化功能圖。無人機(jī)400VDC電源使用四個BCM6123固定轉(zhuǎn)換率匯流排轉(zhuǎn)換器提供隔離，並生成48VDC匯流排電源。匯流排電壓直接為轉(zhuǎn)子馬達(dá)供電，兩個DCM DC/DC轉(zhuǎn)換器將48VDC匯流排電壓轉(zhuǎn)換為獨立的12VDC和24VDC穩(wěn)壓電源，以便為控制和遙測電子設(shè)備以及無人機(jī)攝影鏡頭供電。

圖3 : 透過400VDC繫留纜線為無人機(jī)供電的示例應(yīng)用。（source：Vicor）

透過這種配置，可實現(xiàn)功率密度為2750W/in3的機(jī)載5kW電源，而總功率轉(zhuǎn)換器重量（4個BCM和2個DCM）僅為222克。

BCM轉(zhuǎn)換器的雙向功能還使其適合用作無人機(jī)地面電源，48VDC電池供電將能夠為繫留纜線電源提供400VDC。

結(jié)論

高電壓、固定轉(zhuǎn)換率匯流排轉(zhuǎn)換器是一種為繫留型無人機(jī)供電的高效方式，具有最小散熱片要求，節(jié)省空間，同時具備重量很輕的特性，使無人機(jī)設(shè)計工程師能夠最大程度地提高有效負(fù)載能力，並減少繫留纜線阻力。 同樣，正弦振幅轉(zhuǎn)換器之低EMI特性減小了對額外笨重濾波器元件的要求，從而進(jìn)一步提高了無人機(jī)的有效載荷能力。

（本文作者M(jìn)ark Patrick任職於貿(mào)澤電子）

參考資料

[1]資料來源:Technavio