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基于模块的紧凑型高压供电网络助力克服系留无人机供电系统的挑战

下面是摘自在《电子工程专辑》上发表的技术文章《基于模块的紧凑型高压供电网络助力克服系留无人机供电系统的挑战》的摘要

Ispagro drone image

机器人和无人驾驶汽车车队正在重塑自动化与生产的未来。生产力持续提高的驱动力是续航里程及正常运行时间的延长,这些都与车队的维护息息相关,特别是充电过程。如今,充电产品的高成本和低效率一个最主要原因就是需要人为干预;因此,无人机和自主机器人开发人员正在寻找进一步提高功率密度和效率的方法,以减轻负载并延长电池使用寿命。

实现这些改进,不仅需要重新考虑供电网络 (PDN),而且还需要使用高密度电源模块取代传统一体化电源。

系留无人机是无人机市场的一个增长点,因为监测和通信等应用都需要更长的正常运行时间和更大的载荷能力。Ispagro 通过改造 DJI 和 Parrot 等制造商市场领先的现有小型无人机,以创新的方式满足这一市场需求。改造现有的无人机,Ispagro 能够以极具成本优势的方式,充分满足不断发展的市场需求。  

然而,这些电池供电的小型无人机的有效载荷和正常运行时间都很有限。因此,增加线缆不仅可延长正常运行时间,而且还可在电源故障、系线损坏的情况下,通过机载电池提供安全着陆的故障安全保障。但系线的确会给无人机设计人员平添更多的挑战,他们必须在 400 克的有效载荷限制内容纳 50 米的系线和天线装置。

更小的外形、更轻的重量带来高效供电。

大尺寸系线限制航程与性能

最大的挑战是减轻系线的重量。较重的系线需要更多的电源来维持飞行时间。较大的重量也会限制无人机的飞行高度和航程。高功率 DC-DC 转换通常需要庞大的电源,因为它们通过系线发送较低的电压电源,但是电流会很大。

系留无人机的最佳电源设计

减轻系线重量的最好办法是为系线发送高电压电源并将其在负载端降压转换至低电压。通过更轻、更高效的更细系线传输电源,高压比低压更高效。为了最大限度降低空中无人机的重量,使用小型固定比率母线转换器模块高效将高压 (400-800V) 转换为负载电压 (20V-50V)。Vicor BCM 可达到 98% 的峰值效率和 95% 的持续效率。

Vicor BCM 供电方案将线缆重量锐减 30 — 40%

高密度的轻量级电源模块是该应用的理想选择,支持更小的输入电流和更细更轻的系线。从系线电缆节省的重量可用来最大限度提高有效载荷,以增强无人机的功能和性能。此外,大容量无人机的更新版本还需要在无人机内部进行功率转换,必须采用轻量级的高性能电源模块,才能适应该系统。

BCM powerchain

Vicor 高密度高效率电源模块可轻松应对 Ispagro 面临的挑战。BCM 系列固定比率转换器 为机载电源转换提供最高的效率和最高的功率密度。BCM 可用于大量输入输出电压的组合,以适应广泛的有效载荷应用,而且它们还可轻松并联,简化 UAV 平台的开发

高效、轻量级 Vicor BCM 的完美结合,可将系线重量锐减 30% 到 40%。BCM 模块可以与不同电源的输入并联,因为它们是隔离的变压器。此外,安装间距非常小、能均匀散热的 BCM 模块还将均衡功耗。这可进一步减少所需的空间,简化热管理,并提高无人机的有效载荷。

Vicor 的模块化解决方案提供高效率、高功率和可扩展性

Vicor PDN 解决方案具有业界领先的高功率密度,因此不仅结构紧凑,而且重量还很轻。Ispagro 能够使用固定比率 BCM,通过一个简单的双模块解决方案满足其更高的功率需求。该解决方案能够以很长的平均故障间隔时间实现高达 98% 的峰值效率以及高达 95% 的持续效率。随着 Ispagro 电源需求的增加,这些 BCM 既可替换为其它 BCM,也可根据需要进行并联,几乎不需要额外的开发工作。

母线转换器是高密度、高效率、固定比率(非稳压)隔离式 DC-DC 转换器模块。BCM 采用 ChiP 或 Vicor 集成型适配器 (VIA) 封装提供,不仅可简化散热,而且还可提供集成型 PMBus 控制、EMI 滤波和瞬态保护功能。该系列可通过各种 K 因子从 800V 扩展到 48V 输入,以适应广泛的应用和市场。高电压 BCM ChiP 基于我们的专有正弦振幅转换器拓扑,不仅能够达到 98% 的峰值效率,而且还可实现高达 2,400W/in³ 的高功率密度。

BCM family image

BCM® 母线转换器模块

在《Bisinfotech 杂志》上 阅读全文,于 2021 年 1 月 8 日发表。

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