Slik konstrueres effektive modulære strømforsyningsnettverk for lineforankrede UAV-er

Ubemannede luftfartøy (UAV – unmanned aerial vehicle), eller «droner», brukes i økende grad for tunge konstruksjoner som bakkerekognosering i militæret, brannbekjempelse og landbruk. Disse og mange andre brukstilfeller krever at dronen er i luften i lange perioder av gangen, så batterier er ikke noe alternativ. I stedet forsynes dronen med strøm gjennom en lineforankringskabel så lenge den er i lufta.

Lineforankring introduserer imidlertid nye utfordringer. En tykkere lineforankring gir lavere elektrisk motstand, men øker belastningen på dronen, noe som begrenser bærekapasiteten. Tynne kabler øker den elektriske motstanden, noe som forårsaker uakseptabelt effekttap og spenningsfall over de vanligvis lange lineforankringene til dronen. Målet til teknikere er å få bukt med tapene forbundet med tynnere kabler ved å øke lineforankringens spenning til opptil 800 volt. En slik økning bidrar til å redusere strømmen for et gitt effektbehov.

Utfordringen blir da håndtering av den høye spenningen i dronen. Dronens strømdistribusjonsnettverk må være i stand til å ta den høye spenningen og effektivt redusere den ned til de lavere spenningene som kreves av UAV-systemene. Alle strømstyringsløsninger må være lette og kompakte for å minimere virkningen på kjøretøyets lasteevne.

Denne artikkelen tar for seg fordelene til høyspente strømforsyningssystemer for lineforankrede droner. Den forklarer deretter hvorfor høyeffektive bussomformermoduler (BCM – bus converter module) med høy strømtetthet og buck-omformere med nullspenningsveksling (ZVS – zero-voltage switching) er et godt alternativ for strømdistribusjonsnettverk i lineforankrede UAV-konstruksjoner. Eksempler på BCM-er og ZVS-buck-omformere fra Vicor introduseres, og brukes til å vise hvordan man konstruerer et lett, men effektivt strømnettverk.

Høyere spenninger muliggjør lettere kabler

Lineforankringer frigjør konstruktører fra restriksjonene forbundet med batterier i droner (figur 1). UAV-ene kan forbli luftbårne i lange perioder, forutsatt at bakkebasert strøm er tilgjengelig. Dette gjør at de kan være virksomme i konstruksjoner som observasjonsplattformer eller radiomellomforsterkere som sender over horisonten (over-the-horizon radio relay). Ulempen er at dronen må heise en potensielt tung kabel høyt opp i luften, noe som kan begrense både driftsområdet og bærekapasiteten for nyttelaster som kameraer eller radioutstyr.

Figur 1: Droner kan holde seg oppe i lange perioder ved hjelp av strøm som forsynes via en lineforankring. (Bildekilde: Vicor)

Kommersielle droner krever flere DC-spenninger for de ulike systemene. For eksempel er 48 volt vanlig for motorer, mens 12, 5 og 3,3 volt er vanlig for sensorer, aktuatorer og styringselektronikk. Tynne, lette lineforankringer bidrar til å begrense vektbelastningen på dronen, men kabelens høyere motstand (motstanden øker etter hvert som kabeltverrsnittet avtar) kan forårsake et uakseptabelt spenningsfall (definert som et spenningsfall på mer enn 3 til 5 prosent av kildespenningen på den andre enden av kabelen) og for høyt strømforbruk over lange kabelforløp når en 48-volts strømforsyning brukes.

Kabelens spenningsfall og strømforbruk er proporsjonalt med strømmen den bærer i stedet for spenningen. Så en kommersiell drone som krever en konstant effekt på 1,5 kilowatt (kW) drevet via en 48-volts forsyning, vil for eksempel kreve en strøm på 1500/48 = 31,25 ampere (A). Identisk effekt kan forsynes ved å øke spenningen, og derved redusere strømbehovet, og således spenningsfallet og effekttapet. For eksempel krever bruken av en 800-volts forsyning en strøm på bare 1500/800 = 1,9 A. En slik forsyning gjør det mulig for konstruktøren å trygt bruke en lett kabel.

Et strømforsyningsnettverk for en drone

For å dra nytte av strømforsyninger med høyere spenning og lettere lineforankringer, må teknikere konstruere strømdistribusjonsnettverk som på en sikker og effektiv måte kan redusere de høye spenningene i lineforankringen til driftsspenningene som dronens systemer trenger for å fungere.

Figur 2 viser et eksempel på et slikt nettverk. Dette nettverket er konstruert ved å bruke BCM-er og ZVS-buck-omformere fra Vicor.

Figur 2: Et strømdistribusjonsnettverk for en lineforankret drone. Legg merke til hvordan den 48-volts bussen som brukes til bakkebaserte systemer økes til 800 volt i lineforankringen, og deretter reduseres tilbake til 48 volt i dronen. (Bildekilde: Vicor)

I dette eksempelet konverterer en BCM den trefasede vekselstrømsforsyningen, fra 208 volt til 48 volt likestrøm (DC), for dronens bakkebaserte datasystemer. ZVS-buck-omformere reduserer den 48-volts forsyningen til 12, 5 og 3,3 volt, som brukes av de individuelle bakkebaserte enhetene. Likestrømsforsyningen på 48 volt økes deretter med en andre BCM til 800 volt for å minimere spenningsfall og effekttap i lineforankringen.

På dronen vil en tredje BCM deretter redusere spenningen tilbake til 48 volt. Strømdistribusjonsnettet i dronen omfatter ytterligere buck-omformere for å forsyne kameraer, sensorer og logiske enheter med egnede spenninger.

De foreslåtte BCM-ene for dette bruksområdet er Vicor sin BCM4414VD1E5135C02 for den innledende omformingen fra 208 volt vekselstrøm (AC) til 48 volt likestrøm (DC), og BCM4414VH0E5035M02 for omforming fra 48 volt likestrøm til 800 volt likestrøm og tilbakeomforming.

BCM4414VD1E5135C02 drives fra en buss på 260–400 volt og tilbyr en lavsideutgang på 32,5–51,3 volt. Enheten tilbyr opptil 35 A kontinuerlig lavsidestrøm, opptil 49 watt per kubikkcentimeter (W/cm³) effekttetthet og 97,7 prosent spissvirkningsgrad (figur 3).

Figur 3: Vicor sine bussomformermoduler demonstrerer god virkningsgrad over et bredt strømområde på lavsiden (T_CASE = 25 °C). (Bildekilde: Vicor)

BCM4414VH0E5035M02 drives fra en buss på 500–800 volt og tilbyr en lavsideutgang på 31,3–50,0 volt, med en maksimal kontinuerlig effektutgang på 1,5 kW. Kontinuerlig lavsidestrøm, effekttetthet og spissvirkningsgrad er identiske med søsterproduktet. BCM-en kommer i en boks på 110,5 x 35,5 x 9,4 millimeter (mm) og veier 145 gram (g).

Vicor sine BCM-er tilbyr også fleksible termiske styringsalternativer med svært lave termiske impedanser på toppen og bunnen. Ved å bruke disse enhetene, er konstruktøren av strømsystemet i stand til å redusere størrelsen og vekten til lineforankringen, samt bakkestrømforsyningen og dronen.

Vicor sine BCM-er er DC–DC-strømforsyninger, så den innledende trefasede AC-inngangen på 208 volt må omformes til DC før den første BCM-en i figur 2. En egnet enhet for AC-likeretting, er en Vicor AC-inngangsmodul (AIM), for eksempel AIM1714VB6MC7D5C00 (figur 4). AIM-enheten kan håndtere en AC-inngang på 85–264 volt og levere en likerettet AC-utgang med en strøm på opptil 5,3 A og effekt på opptil 450 watt.

Figur 4: BCM-en krever en likerettet AC-inngang. En enhet som Vicor sin trefasede AIM-modul tilbyr en løsning. (Bildekilde: Vicor)

Buck-omforming med høy effekttetthet og fleksibilitet

Når BCM-en i bakkestasjonen eller dronen har regulert spenningen til 48 volt DC, er ZVS-buck-omformere nødvendig for å ytterligere redusere spenningen for forsyningsledningene til de forskjellige systemene. Spesielt i dronen må buck-omformerne ha høy effekttetthet og være effektive slik at de danner en kompakt og lett strømforsyning. ZVS-buck-omformere er godt egnet for oppgaven.

Vekslingstapene i konvensjonelle spenningsregulator-MOSFET-er er en viktig kilde til ineffektivitet, og de har negativ innvirkning på effekttettheten. ZVS håndterer disse tapene, og er spesielt gunstig for buck-omformere som fungere med relativt høyspente innganger.

Mekanismen til ZVS (også kjent som «myk veksling») er kompleks, men kan best defineres som strømomforming med konvensjonell pulsbreddemodulasjon (PWM) under MOSFET-ens på-tid, men med «resonante» vekslingsoverganger. Regulering av utgangsspenningen oppnås ved å justere den effektive driftssyklusen (og dermed «på»-tiden) ved å variere vekslingsregulatorens omformingsfrekvens.

Under ZVS-vekslingens av-tid, vil regulatorens L-C-krets resonere, noe som gjør at den traverserer spenningen over vekslingen fra null til spissen, og tilbake igjen til null når vekslingen kan re-aktiveres. I denne prosessen vil overgangstapene til vekslingsregulatorens MOSFET-er være null – uavhengig av driftsfrekvens og inngangsspenning – noe som representerer betydelige energibesparelser og en kraftig forbedring i virkningsgraden. (Se «En gjennomgang av nullspenningsveksling (ZVS) og dens betydning for spenningsregulering».)

Vicor produserer en rekke ZVS-buck-omformere som er integrert med styringskretser, effekthalvledere og støttekomponenter i enheter med høy tetthet, for eksempel LGA, BGA og SiP-kapslinger (SiP – system-in-package). De vekslende spenningsregulatorene kompletterer BCM-ene som brukes i andre deler av dronens strømdistribusjonskrets. ZVS-buck-omformere gir god effekttetthet og fleksibilitet for høyeffektiv PoL (point-of-load) DC–DC-regulering. De kan brukes til å effektivt redusere den 48-volts bussen til 3,3; 5 og 12 volt for de andre delsystemene til dronen.

Eksempler på ZVS-buck-omformere omfatter PI352x-00-familien. PI352x-00-regulatorene krever bare en ekstern induktor, to spenningsvelgermotstander og et minimalt antall kondensatorer for å danne en komplett buck-omformer med DC–DC-vekslingsmodus. Alle regulatorene er virksomme fra en inngang på 30–60 volt. Det er tre enheter i familien: PI3523-00, som gir en nominell utgang på 3,3 volt (område på 2,2–4 volt) og opptil 22 A; PI3525-00, som gir en nominell utgang på 5,0 volt (område på 4–6,5 volt) og opptil 20 A; PI3526-00, som gir en nominell utgang på 12 volt (område på 6,5–14 volt) og opptil 18 A. Enhetene leveres i en LGA SiP-kapsling som måler 10 x 14 x 2,56 mm.

Legge til ZVS-regulatorer i effekttetthetsnettverket

Noe konstruksjonsarbeid er nødvendig for å optimalisere ytelsen til ZVS-buck-omformerne i dronens strømdistribusjonsnettverk. Figur 5 viser de eksterne komponentene som kreves for hvert medlem i PI352x-00-familien.

Figur 5: Vicor ZVS-buck-omformeren krever en ekstern induktor, et motstandsdelernettverk for å angi utgangsspenningen, samt kondensatorer for filtrering. (Bildekilde: Vicor)

Hver enkelt enhet krever en ekstern induktor. Vicor har beregnet induktansverdien for energilagringsenheten for å maksimere virkningsgraden. For PI3523- og PI3525-regulatorene anbefales en induktor på 230 nanohenry (nH), mens en induktor på 480 nH anbefales for bruk med P13526.

Selv om hvert medlem av PI352x-00-familien direkte kan håndtere DC-inngangen på 48 volt fra den respektive BCM-en (inngangsområdet for buck-omformerne er 30–60 VDC), krever innstillingen av utgangsspenningen at utgangsmotstander ( REA1 og REA2), som sammen danner et motstandsdelernettverk, velges.

REA2 må angis til 1 kilohm (kΩ) for å oppnå best støyimmunitet, uavhengig av utgangsspenningen. Verdien til REA1 kan deretter beregnes fra følgende ligning:

I tillegg til induktorverdier, anbefaler Vicor også verdier for kondensatorene C_IN og C_OUT for å sikre riktig oppstart og høyfrekvent avkobling for effekttrinnet. PI352x-00-familien trekker nesten all høyfrekvent strøm fra de keramiske lavimpedans-kondensatorene sine når hoved-MOSFET-ene på høysiden leder. Deretter, i løpet av tiden MOSFET-ene er av, blir kondensatorene etterfylt fra kilden. Tabell 1 viser kondensatorverdiene og de resulterende rippelstrømmene og spenningene.

Tabell 1: Anbefalte verdier for Vicor P1352x inngangs- og utgangskondensatorer ved nominell linjespenning og nominell trimmespenning. (Tabellkilde: Vicor)

For å sikre optimal virkningsgrad og lav elektromagnetisk interferens (EMI) med PI352x-00-familien, er det svært viktig å ha minimal banemotstand og høystrøms sløyferetur, kombinert med riktig komponentplassering. Figur 6 viser anbefalt layout for regulatoren og eksterne komponenter. Dette er layouten som er innført av PI3526-00-EVAL1 PI352x-00 evalueringskortet.

Figur 6: Optimal layout for Vicor ZVS-regulatoren, induktoren og inngangs- og utgangskondensatorene. (Bildekilde: Vicor)

Den blå sløyfen i figur 6 viser den tette banen mellom inngangs- og utgangskondensatorene (og V_IN og V_OUT) for regulatorens høye AC-returstrøm, noe som bidrar til bedre virkningsgrad.

Konklusjon

For å optimalisere rekkevidden og lastkapasiteten til droner, har teknikere valgt å bruke høyspente lineforankringer. Disse minimerer effekttap og spenningsfall i kablene. De høye spenningene i lineforankringen må imidlertid reguleres på en sikker og effektiv måte til busspenningene som er nødvendige for dronens elektroniske systemer.

Høy effekttetthet og effektive BCM-er fra Vicor gir en lett implementerbar løsning som kan redusere og øke spenningen mellom bakkestasjonen, lineforankringen og dronen. BCM-ene kompletteres av ZVS-buck-omformere med lavt vekslingstap, noe som gir en virkningsgrad på 97 prosent når busspenningen trappes ned til 3,3; 5 og 12 volt, som trengs for dronens ulike delsystemer.