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系留无人机供电设计指南
在无人机中整合更多功能会增加有效载荷重量，因此电源必须功率密集、灵活可扩展，才能适应变化。
系留无人机和无人驾驶飞机的市场正在高速增长。预计到 2020 年将同比增长 61%，这一增长源于日益增多的应用和使用案例，可从持久的空中平台受益。
与续航时间有限的非系留无人机不同，系留无人机无需携带主电源，进而增加有效载荷能力。
它们可在高达 200 米的空中和绝大多数天气条件下续航长达 24 小时。应用包括传统安保、情报收集以及监控。它们的长时间飞行能力使它们非常适合在发生人道主义危机时提供紧急电信网络，非常适合监控大型工业园区消防情况，以及拍摄大型户外体育赛事。随着系留无人机应用于更多新场景，技术挑战也随之增多。
在无人机中整合更多功能的愿望会增加有效载荷重量，而提升工作高度获得的优势则会带来更大的系线阻力。此外，延长飞行时间就得增加安全监控，提供备用电源并配备降落伞等安全设备。
系留无人机供电的技术挑战
为系留无人机供电带来了一些技术挑战。无人机的功率需求由转子驱动电机、控制电子设备和有效载荷应用驱动，其中电机占可用功率预算的最大比例。线缆存在电阻，因此通过长系线传输足够的功率会产生传输损耗。
实现最大的有效载荷，需要将系线的阻力重量保持最小，从而会限制导线粗细。较细的导体会增加线缆电阻，电阻会随工作高度的增加而变大。
要达到无人机的供电要求，保持低配电损耗的唯一可行选项就是沿系线传输高压并在无人机内将功率转换至所需的水平。重量是一项关键限制，因此电源转换组件也需要轻量化。
使用高压直流减少了系线中的电流 (I = P/V)，允许使用小直径的系线导体，还可降低 I2R 损耗。该行业趋势是在系线中传输高达 400VDC 的电源，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。
选择支持高压输入的 DC-DC 转换器
有众多供应商提供大量的 DC-DC 转换器，但是找到一款支持高达 400VDC 电压输入的转换器会显著缩小可用选项的范围。此外，该转换器还需要有宽泛的转换比，比如降压至 48VDC 输出。
适合这项任务的 DC-DC 转换器的一个实例就是 Vicor BCM6123 系列高压母线转换器模块。
BCM6123 系列中的每个模块都有固定的转换比，称为 K 因数，而且效率都很高，通常为 98%。例如，BCM6123xD1E5135T01 接受高达 400VDC 的输入电压，K 因数为 1/8，能够提供高达 1,750W 的功率。固定比率转换器也称母线转换器，通常未整合输出稳压，但这可根据需要通过进一步的下游 DC-DC 转换器实现。
固定比率转换器不包含稳压组件，因此它们具有高效率以及更高功率密度的潜质。更少的废热还可简化对热管理的需求，进一步减轻重量。
图 1：固定比率转换器对输入电压进行升压和降压，适用于双向功率转换。
图 1 是一款 K 因数为 1/12 的隔离式固定比率转换器。基于 BCM 系列的设计，它们可用于升压或降压。请注意，如果需要其反向工作，从低压电源产生高电压，则转换器需要首先按正常正向模式启动。在本实例中，400VDC 输入将实现 33VDC 的输出。
同样，低压侧的 33VDC 输入将产生 400VDC 的输出。Vicor BCM® 系列固定比率转换器既可以并联配置，满足更高输出功率的需求，也可以串联配置，提供更高的输出电压。
BCM 系列的所有模块都使用正弦振幅转换器 (SAC™) 拓扑提供高水平的转换效率。大多数 DC-DC 转换器拓扑使用转换器脉宽调制 (PWM) 开关驱动电路的占空比来控制二次功率输出。为了将开关器件损耗保持在最低的实际限制，PWM 频率不超过几百 kHz 。
图 2：正弦振幅转换器的简化电路。
SAC 是一种基于变压器的谐振拓扑。开关转换器在一次侧 LC 等效电路的固定谐振频率下工作。在电压平衡点执行开关可消除开关器件的功耗，从而可显著提高转换效率并减少高阶噪声谐波的产生。
与改变使用方波驱动信号的 PWM 占空比不同，SAC 转换器不仅使用明显更高的频率（通常为几兆赫兹），而且还可调整驱动信号的幅度，以适应增加的输出负载。使用更高的开关频率有助于进一步缩小变压器的尺寸，从而使其更轻。
传输线效应
系线线缆的电路特征需要作为设计过程的一个环节进行研究，关键要素有电阻、电容以及单位长度的电感。
短系线可作为一个主体 LCR 电路，但较长的系线更像一根具有分布式 LCR 属性的传输线。系线的模拟有助于处理传输线效应，特别是初始接通时的输入浪涌。
用输出滤波器正确终止系线，可减轻输入浪涌对无人机的影响。一般来说，如果功率尖峰的上升时间大于线路延迟的十倍，则认为系线线缆较短。
为无人机供电的实例
下图 3 突出显示了无人机高压 DC 传输解决方案的简化功能图。无人机的 400VDC 电源使用四款 BCM6123 固定比率母线转换器提供隔离和 48VDC 母线供电。母线电压直接为转子电机供电，两款 DCM™ DC-DC 转换器将 48VDC 母线电压转换为单独的 12VDC 和 24VDC 稳压电源，为控制及遥测电子设备以及无人机的视频摄像头供电。
图 3：通过 400VDC 系线为无人机供电的示例应用。
采用这种配置实现了功率密度为 2,750W/in3 的 5kW 机载电源，电源转换器的总重量（4 个 BCM 和 2 个 DCM）仅为 222 克。
BCM 转换器的双向功能也使其非常适用于无人机的地面电源。由 48VDC 电池供电，将为系线电源提供 400VDC 的电压。
总结
高压、固定比率母线转换器是系留无人机供电的高效方式。它们具有最小的散热器要求、节省空间的方法及轻质量，有助于无人机设计工程师最大限度提高有效载荷能力并减少系线阻力。
此外，正弦振幅转换器的低 EMI 特征可减少对庞大滤波组件的额外需求，进一步提高了无人机的有效载荷能力。
本文最初由 Electronic Specifier 发布。
