探讨无人机电源系统设计方案

在设计无人机(UAV)用的电源系统时，设计人员所关心的参数是尺寸(S)、重量(W)、功率密度(P)、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负载，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，最大限度地延迟续航时间和飞行时间，也可使热管理尽可能容易，因为即使是较少的 功率损耗也会导致热传递。高灵活性和低复杂性不仅可以使电源系统设计更加容易，而且还可让无人机设计人员专注于无人机设计之其他部分，而不是在电源系统设 计上花大量的时间;它不仅可节省设计完成时间，还可降低设计复杂性。

为了充分利用上述优势，Vicor模组电源解决方案可通过最全面产品组合的高效率、高密度、配电架构，为效能关键性无人机应用提供完整的电源解决方案。

无人机的种类：

无人机可以从远端位置进行控制，或基于预编程组态自动运行。无人机有许多应用，从具结到消防，都可以由不同类别的无人机来实现。

无人机的电源：

根据子系统之负载要求，无人机有几个电源选项。

锂离子电池是一种常用的电源，体积较小、成本较低，因此是100瓦和运行数天的无人机的理想选择。

为了有更高的能量密度和功率密度，还可以选择其他的备选电源，包括太阳能电池系统、燃气轮机以及柴油发电机等。

无人机的典型电源链：

图1：无人机电源链

在典型的无人机电源链中，有一个基于涡轮的发电机提供3相AC电源，其可通过整流器转换为270VDC电源，然后通过隔离式DC-DC转换器转换为48VDC电源或28VDC电源。

无人机上有许多有效负载，包括雷达、影像、航空电子、导航、制导、飞控系统和数据传输链路，其中每一个都需要一个3.3V、5V及12V等的电压范围。因此，下游DC-DC转换器或非隔离式负载点(niPoL)都需要为所需的负载电压提供28V或48V DC母线。

为了实现高效率，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。配电引起的功率损耗系以I2R(R线阻)为主，由于提高电压可以最大限度地降低配电损耗，因而可减少电流;对于大型无人机更是如此，因为有很长的配电长度。

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，就符合安全超低电压(SELV)要求。

根据图1所显示的电源链，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之非稳压DC-DC转换 器，而由于隔离在上游完成，第二级则需要稳压之非隔离DC-DC转换器。为了实现更高的效率和更低的解决方案成本，隔离和稳压没有在DC-DC转换器的每 一级重复。

270V至28V DC-DC转换：

图2

除了整流器，还有非隔离之非稳压270VDC电压，藉由MIL-COTS BCM(母线转换器模组)和MIL-COTS PRM(前置稳压器模组)转换到负载用的一个隔离、稳压的电压，如28V。

GaAs发射器：

270V至28V电源链的应用之一是GaAs发射器，其方框图如图3所示。

图3：GaAs发射器电源链

有效负载、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模组和PRM模组并联至电源阵列，以提高输出功率。下面一段谈谈如何并联具有均流能力的BCM和PRM。

BCM和PRM模组可以组态超过1千瓦的电源阵列。

BCM模组是一款隔离的非稳压DC-DC转换器模组，可藉由一个固定比K系数为SELV输出提供高电压输入。就这个特定零部件(MBCM270x450M270A00)而言，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模组是一款稳压的非隔离DC-DC转换器模组，可为负载提供稳压的电压。由于PRM输出电压可以微调，因此它可针对GaAs发射器调低至28V。

图4：GaAs发射器解决方案的效率

BCM是一款隔离的非稳压DC-DC转换器。

PRM是一款稳压的非隔离DC-DC转换器。

上一段已经提到，隔离和稳压并没有由DC-DC转换的每一级、或电源链中的单个DC-DC转换器重复，为的是获得更高的效率。

因此，藉由使用BCM和PRM模组，270V至28V DC-DC转换的整体效率可达到93.12%。

并联BCM和PRM的技术：

图5

在并联BCM模组的同时，很容易连接每个BCM模组的输入和输出，从而可藉由阻抗匹配(而不是并联信号)来实现均流，如图5a和5b所示。并联BCM应考虑以下几点。

1. 藉由对称布局完成输入输出互连阻抗匹配，如图5b所示。

2. 均匀冷却使单个BCM模组温度彼此接近。

3. 每个BCM模组的启用/禁用信号(PC引脚)都需要连接起来，在同一时间启动每个模组。

图6：并联PRM

要并联PRM模组(图6)，需要使用并联信号(PR引脚)来实现各个模组的均流，同时，具体模组的启用/禁用信号 (PC引脚)需要连接起来，以便同时启动所有模组。如图6所示，一个PRM模组可设置为一个电源阵列中的「主」，以驱动其它负责回馈和稳压的「从」PRM 模组。

正弦振幅转换器(Sine Amplitude Converter，SAC)拓扑结构：

母线转换器模组(BCM)采用SAC拓扑结构，从而可实现优异的效率和功率密度。

图7：SAC转换器

SAC拓扑结构是一个处于BCM模组核心位置的动态、高效能引擎。

SAC是基于变压器的串联谐振拓扑结构，在等于初级侧储能电路谐振频率的固定频率下工作。初级侧的开关FET锁定为 初级的自然谐振频率，在零交叉点开关，从而可消除开关中的功耗，提高效率，显著减少高阶杂讯谐波的产生。初级谐振回路是纯正弦曲线(图7所示)，从而可减 少谐波内容，提供更干净的输出杂讯频谱。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。