Cum se proiectează rețelele modulare eficiente de furnizare a energiei electrice pentru UAV-urile ancorate

Vehiculele aeriene fără pilot la bord (UAV), sau „dronele”, sunt tot mai utilizate pentru aplicații grele, cum ar fi explorarea terenului pentru armată, lupta împotriva incendiilor și agricultură. Acestea și multe alte cazuri de utilizare necesită ca drona să fie în aer pentru perioade lungi de timp, astfel că bateriile nu sunt o opțiune. În schimb, drona este alimentată cu energie electrică printr-un cablu ancorat pe durata zborului.

Cu toate acestea, aceste cabluri introduc noi provocări. Un cablu mai gros oferă o rezistență electrică mai mică, dar pune o sarcină mai mare pe dronă, limitând capacitatea de transport a acesteia. Cablurile subțiri măresc rezistența electrică, provocând o disipare de energie și o cădere de tensiune inacceptabile pe lungimile de obicei mari ale cablurilor de legare a dronelor. Inginerii încearcă să depășească pierderile asociate cu cablurile mai subțiri prin creșterea tensiunii cablului de ancorare până la 800 de volți. O astfel de creștere ajută la scăderea curentului pentru o anumită putere necesară.

Provocarea constă în manipularea tensiunii înalte în dronă. Rețeaua de distribuție a energiei electrice a dronei trebuie să fie capabilă să preia tensiunea înaltă și să o reducă în mod eficient la tensiunile mai mici necesare pentru sistemele UAV. Orice soluție de gestionare a energiei trebuie să fie ușoară și compactă pentru a minimiza impactul asupra capacității de sarcină a vehiculului.

Acest articol analizează avantajele sistemelor de alimentare de înaltă tensiune pentru dronele cu cablu. Apoi explică de ce modulele convertoare cu magistrală (BCM) de înaltă eficiență și densitate de putere ridicată și convertoarele de coborâre de tensiune cu comutare de tensiune zero (ZVS) sunt o opțiune bună atunci când se proiectează rețele de distribuție a energiei pentru aplicațiile UAV ancorate. Se prezintă exemple de BCM-uri și convertoare de coborâre ZVS de la Vicor și se folosesc pentru a arăta cum se poate proiecta o rețea de alimentare ușoară, dar eficientă.

Tensiunile mai mari permit cabluri mai ușoare

Ancorele îi eliberează pe proiectanți de restricțiile pe care bateriile le impun dronelor (Figura 1). UAV-urile pot rămâne în aer pentru perioade lungi de timp, presupunând că este disponibilă energie la sol, ceea ce le permite să funcționeze în aplicații precum platforme de observare sau relee radio deasupra orizontului. Dezavantajul este că drona trebuie să ridice în aer un cablu potențial greu, ceea ce îi poate limita atât raza de acțiune, cât și capacitatea de transport a încărcăturii utile, cum ar fi camerele de luat vederi sau echipamentele radio.

Figura 1: dronele pot rămâne în aer pentru perioade lungi de timp folosind energia furnizată prin intermediul unui cablu. (Sursă imagine: Vicor)

Dronele comerciale au nevoie de mai multe tensiuni de curent continuu pentru diferitele lor sisteme. De exemplu, 48 de volți sunt obișnuiți pentru motoare, în timp ce 12, 5 și 3,3 volți sunt tipici pentru senzori, actuatoare și sisteme electronice de control. Cablurile de ancorare subțiri și ușoare ajută la limitarea greutății suportate de dronă, dar rezistența mai mare a cablului (rezistența crește odată cu scăderea secțiunii transversale a cablului) poate cauza o cădere de tensiune inacceptabil de mare (definită ca o cădere de tensiune mai mare de 3 până la 5 procente din tensiunea de sursă de la capătul îndepărtat al cablului) și o disipare de energie pe traseele lungi ale cablului atunci când se utilizează o alimentare de 48 de volți.

Căderea de tensiune a cablului și disiparea de putere sunt mai degrabă proporționale cu curentul pe care îl transportă, și nu cu tensiunea. Astfel, de exemplu, o dronă comercială care necesită o putere constantă de 1,5 kilowați (kW) alimentată printr-o sursă de 48 de volți va necesita un curent de 1500/48 = 31,25 amperi (A). O putere identică poate fi furnizată prin creșterea tensiunii, reducând astfel necesarul de curent și, ulterior, căderea de tensiune și disiparea de putere. De exemplu, utilizarea unei surse de alimentare de 800 de volți necesită un curent de doar 1500/800 = 1,9 A. O astfel de alimentare permite proiectantului să utilizeze în siguranță un cablu ușor.

O rețea de distribuție a energiei pentru o dronă

Pentru a beneficia de surse de tensiune mai ridicate și de cabluri de ancorare mai ușoare, inginerii trebuie să proiecteze rețele de distribuție a energiei care pot reduce în siguranță și în mod eficient tensiunile înalte transportate în cabluri la tensiunile de lucru necesare pentru sistemele dronei.

Figura 2 prezintă un exemplu al unei rețele de acest fel. Această rețea este construită cu ajutorul BCM-urilor și al convertoarelor de coborâre ZVS de la Vicor.

Figura 2: o rețea de distribuție a energiei electrice pentru o dronă ancorată. Observați cum magistrala de 48 de volți utilizată pentru sistemele de la sol este amplificată la 800 de volți în cablu și apoi redusă la 48 de volți la dronă. (Sursă imagine: Vicor)

În acest exemplu, un BCM convertește alimentarea trifazată de 208 volți c.a. în 48 de volți c.c. pentru sistemele computerizate de la sol ale dronei. Convertoarele de coborâre ZVS reduc alimentarea de 48 de volți la 12, 5 și 3,3 volți utilizați de dispozitivele individuale de la sol. Alimentarea de 48 de volți de curent continuu este apoi mărită de un al doilea BCM la 800 de volți pentru a minimiza căderea de tensiune și pierderile de energie în cablu.

La dronă, un al treilea BCM reduce apoi tensiunea la 48 de volți. Rețeaua de distribuție a energiei electrice din dronă include și alte convertoare de coborâre pentru alimentarea camerelor, senzorior și a dispozitivelor logice cu tensiuni adecvate.

BCM-urile sugerate pentru această aplicație sunt BCM4414VD1E5135C02 de la Vicor pentru conversia inițială de la 208 volți c.a. la 48 volți c.c. și BCM4414VH0E5035M02 pentru conversia de la 48 volți c.c. la 800 volți c.c. și înapoi.

BCM441414VD1E5135C02 funcționează de la o magistrală de la 260 până la 400 de volți și oferă o ieșire low-side de la 32,5 până la 51,3 volți. Dispozitivul oferă un curent continuu low-side de până la 35 A, o densitate de putere de până la 49 wați pe centimetru cub (W/cm³) și o eficiență de vârf de 97,7% (Figura 3).

Figura 3: modulele convertoarelor cu magistrală Vicor prezintă o eficiență bună pe o gamă largă de curent low-side (T_CASE = 25 ˚C). (Sursă imagine: Vicor)

BCM441414VH0E5035M02 funcționează de la o magistrală de la 500 până la 800 de volți și oferă o ieșire low-side de la 31,3 până la 50,0 volți, cu o putere maximă continuă de 1,5 kW. Curentul continuu low-side, densitatea de putere și eficiența de vârf sunt identice cu cele ale produselor omoloage. BCM se prezintă într-o carcasă de 110,5 x 35,5 x 9,4 milimetri (mm) și cântărește 145 de grame (g).

În plus, BCM-urile Vicor oferă opțiuni flexibile de gestionare termică, cu impedanțe termice foarte scăzute pe partea superioară și cea inferioară. Prin utilizarea dispozitivelor, proiectantul sistemului de alimentare poate reduce dimensiunea și greutatea cablului de ancorare, precum și a sursei de alimentare la sol și a dronei.

BCM-urile Vicor sunt surse de alimentare c.c - c.c., astfel încât intrarea inițială trifazată de 208 volți de curent alternativ trebuie convertită în curent continuu înainte de primul BCM din Figura 2. Un dispozitiv adecvat pentru rectificarea c.a. este un modul de intrare c.a. (AIM) Vicor, cum ar fi AIM1714VB6MC7D5C00 (Figura 4.) Dispozitivul AIM poate accepta o intrare de curent alternativ de 85 - 264 de volți și poate furniza o ieșire de curent alternativ rectificat cu un curent de până la 5,3 A și o putere de până la 450 de wați.

Figura 4: BCM necesită o intrare de curent alternativ rectificată. Un dispozitiv precum modulul trifazat AIM de la Vicor oferă o soluție. (Sursa imaginii: Vicor)

Reglare de coborâre cu densitate de putere și flexibilitate ridicate

Odată ce BCM din stația de la sol sau din dronă a reglat tensiunea la 48 de volți c.c., sunt necesare convertoare de coborâre ZVS pentru a reduce și mai mult tensiunea pentru liniile de alimentare a diferitelor sisteme. În special în cazul dronelor, convertoarele de coborâre trebuie să aibă o densitate mare de putere și să fie eficiente, astfel încât să formeze o sursă de alimentare compactă și ușoară. Regulatoarele ZVS de coborâre sunt potrivite pentru această sarcină.

Pierderile de comutare din cadrul MOSFET-urilor convenționale de reglare a tensiunii reprezintă o sursă cheie de ineficiență și au un impact negativ asupra densității de putere. ZVS abordează aceste pierderi și reprezintă un avantaj deosebit pentru convertoarele de coborâre care funcționează cu o tensiune de intrare relativ ridicată.

Mecanismul ZVS (cunoscut și sub numele de „comutare ușoară”) este complex, dar poate fi definit cel mai bine ca o conversie de putere convențională cu modulație în lățime a impulsurilor (PWM) în timpul de funcționare a MOSFET-ului, dar cu tranziții de comutare „rezonante”. Reglarea tensiunii de ieșire se realizează prin ajustarea ciclului de funcționare efectiv (și, prin urmare, a timpului de „pornire”) prin varierea frecvenței de conversie a regulatorului de comutare.

Pe durata timpului de dezactivare a comutatorului ZVS, circuitul L-C al regulatorului rezonează, traversând tensiunea de la zero la vârf și coborând din nou la zero atunci când comutatorul poate fi reactivat. În timpul acestui proces, pierderile de tranziție ale MOSFET-urilor regulatorului de comutare sunt zero – indiferent de frecvența de funcționare și de tensiunea de intrare – ceea ce reprezintă economii semnificative de energie și o îmbunătățire substanțială a eficienței. (Consultați „O trecere în revistă a comutării la tensiune zero și importanța sa pentru reglarea tensiunii”.)

Vicor produce o gamă de regulatoare ZVS de coborâre integrate cu circuite de control, semiconductori de putere și componente de suport în dispozitive LGA, BGA și sistem în pachet (SiP) de înaltă densitate. Regulatoarele de tensiune de comutare completează BCM-urile utilizate în alte părți ale circuitului de distribuție a energiei electrice al dronei. Regulatoarele de coborâre ZVS oferă o bună densitate de putere și flexibilitate pentru reglarea c.c. - c.c. la punctul de sarcină (PoL) de înaltă eficiență. Acestea pot fi utilizate pentru a reduce în mod eficient tensiunea magistralei de 48 de volți la 3,3, 5 și 12 volți pentru celelalte subsisteme ale dronei.

Printre exemplele de regulatoare ZVS de coborâre se numără familia PI352x-00. Regulatoarele PI352x-00 necesită doar o inductanță externă, două rezistoare de selecție a tensiunii și un număr minim de condensatoare pentru a forma un regulator complet c.c. - c.c. de coborâre cu comutație. Toate regulatoarele funcționează de la o intrare de 30 până la 60 de volți. Există trei dispozitive în această familie: PI3523-00, care oferă o ieșire nominală de 3,3 volți (interval de la 2,2 până la 4 volți) și până la 22 A; PI3525-00, care oferă o ieșire nominală de 5,0 volți (interval de la 4 până la 6,5 volți) și până la 20 A; și PI3526-00, care oferă o ieșire nominală de 12 volți (interval de la 6,5 până la 14 volți) și până la 18 A. Dispozitivele sunt furnizate într-un LGA SiP care măsoară 10 x 14 x 2,56 mm.

Adăugarea regulatoarelor ZVS la rețeaua de densitate de putere

Sunt necesare unele lucrări de proiectare pentru a optimiza performanța regulatoarelor ZVS de coborâre în rețeaua de distribuție a energiei electrice a dronelor. Figura 5 prezintă componentele externe necesare pentru fiecare membru al familiei PI352x-00.

Figura 5: regulatorul de coborâre Vicor ZVS necesită un inductor extern, o rețea de divizoare de rezistaore pentru a seta tensiunea de ieșire, precum și condensatoare pentru filtrare. (Sursa imaginii: Vicor)

Fiecare dispozitiv necesită un inductor extern. Vicor a calculat valoarea inductanței pentru dispozitivul de stocare a energiei pentru a maximiza eficiența. Pentru regulatoarele PI3523 și PI3525, se recomandă un inductor de 230 nanohenry (nH), în timp ce pentru P13526 se recomandă un inductor de 480 nH.

În timp ce fiecare membru al familiei PI352x-00 poate gestiona direct intrarea de 48 de volți c.c. de la BCM-ul respectiv (intervalul de intrare pentru regulatoarele de coborâre este de la 30 până la 60 de volți c.c.), setarea tensiunii de ieșire necesită selectarea rezistoarelor de ieșire – REA1 și REA2 – care împreună formează o rețea de divizoare de rezistoare.

Indiferent de tensiunea de ieșire, REA2 trebuie setat la 1 kiloohm (kΩ) pentru cea mai bună imunitate la zgomot. Valoarea REA1 poate fi apoi calculată cu ajutorul următoarei formule:

În plus față de valorile inductorului, Vicor recomandă, de asemenea, valori pentru condensatoarele C_IN și C_OUT pentru a asigura o pornire adecvată și decuplarea de înaltă frecvență pentru etajul de putere. Familia PI352x-00 extrage aproape tot curentul de înaltă frecvență din condensatoarele sale ceramice de joasă impedanță atunci când MOSFET-urile principale high-side sunt elementele conductoare. Apoi, în timpul în care MOSFET-urile sunt oprite, condensatoarele sunt realimentatei de la sursă. Tabelul 1 enumeră valorile condensatoarelor și curenții și tensiunile de ondulație rezultate.

Tabelul 1: valorile recomandate pentru condensatoarele de intrare și de ieșire Vicor P1352x la tensiunea de linie nominală și la reglajul nominal. (Sursa tabelului: Vicor)

Pentru a asigura o eficiență optimă și o interferență electromagnetică (EMI) redusă cu familia PI352x-00, este esențială o rezistență minimă a traseelor și returnări de buclă de curent ridicat, împreună cu amplasarea corectă a componentelor. Figura 6 prezintă configurația recomandată pentru regulator și componentele externe. Aceasta este configurația adoptată de placa de evaluare PI3526-00-EVAL1 PI352x-00.

Figura 6: configurația optimă a regulatorului Vicor ZVS, a inductorului și a condensatoarelor de intrare și de ieșire. (Sursa imaginii: Vicor)

Bucla albastră din Figura 6 indică traseul limitat dintre condensatoarele de intrare și de ieșire (și V_IN și V_OUT) pentru curentul de retur c.a. ridicat al regulatorului, care ajută la eficiență.

Concluzie

Pentru a optimiza raza de acțiune și capacitatea de sarcină a dronelor, inginerii au apelat la cabluri de înaltă tensiune. Acestea reduc la minimum disiparea de energie și căderea de tensiune în cabluri. Cu toate acestea, tensiunile ridicate ale cablului de ancorare trebuie să fie reglementate în siguranță și în mod eficient la tensiuni de magistrală și apoi reduse la tensiunile de alimentare necesare pentru sistemele electronice ale dronei.

Densitatea mare de putere și BCM-urile eficiente de la Vicor oferă o soluție ușor de implementat pentru reducerea și amplificarea tensiunilor între stația de la sol, cablul de legătură și dronă. BCM-urile sunt completate de convertoare ZVS de coborâre cu pierderi reduse de comutare, care oferă o eficiență de 97% atunci când reduc tensiunea de magistrală la 3,3, 5 și 12 volți necesari pentru diferitele subsisteme ale dronei.