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探討無人機電源系統(tǒng)設(shè)計方案

發(fā)布日期:2016-06-11??來源:億芯網(wǎng)我要投稿我要評論

ZVS降壓-升壓拓撲結(jié)構(gòu):

  PRM(前置穩(wěn)壓器模組)采用一個專利降壓-升壓穩(wěn)壓器控制架構(gòu)來提供高效率升壓/降壓之穩(wěn)壓。

無人機電源系統(tǒng)設(shè)計方案探討

圖8:ZVS降壓-升壓

PRM在固定開關(guān)頻率下工作,通常為1 MHz(最大值為1.5 MHz),它還具有提高輸出功率的并聯(lián)能力。ZVS降壓-升壓開關(guān)順序是相同的,無論它是降壓還是升壓。

  ZVS降壓-升壓拓撲結(jié)構(gòu)有四級。

  -Q1和Q4導(dǎo)通可在變壓器內(nèi)儲存能量,然后藉由Q3進行ZVS轉(zhuǎn)變

  -Q1和Q3導(dǎo)通可提供從輸入到輸出的路徑,然后藉由Q2進行ZVS轉(zhuǎn)變

  -Q2和Q3導(dǎo)通可進入自由輪轉(zhuǎn)級,然后藉由Q4進行ZVS轉(zhuǎn)變

  -在鉗制階段Q2和Q4導(dǎo)通,可藉由Q1進行ZVS轉(zhuǎn)變

  -完成4級之后,就是一個循環(huán)。

  28V/270V輸入源到多路輸出DC-DC轉(zhuǎn)換:

航空、資料鏈、雷達以及飛控系統(tǒng)等有效負載都需要包括15V、12V、5V、3.3V在內(nèi)的廣泛電壓,因此需要下游DC-DC轉(zhuǎn)換器或niPoL提供所需的電壓作為有效負載的多路輸出。

除了整流器,還有非穩(wěn)壓、非隔離270VDC電源,其可藉由MIL-COTS DCM DC-DC轉(zhuǎn)換器和Picor ZVS降壓穩(wěn)壓器提供給隔離、穩(wěn)壓的多路輸出。

在第一級,MDCM DC-DC將一個非穩(wěn)壓輸入(28V或270V)轉(zhuǎn)換為一個隔離、穩(wěn)壓的28V電壓,然后藉由下游非隔離式ZVS穩(wěn)壓器轉(zhuǎn)換為多路輸出。

在后一級,Coop Power ZVS降壓穩(wěn)壓器將28V轉(zhuǎn)換為負載所需的電壓。

  DCM是一款隔離、穩(wěn)壓的DC-DC轉(zhuǎn)換器。

  ZVS降壓穩(wěn)壓器是一款穩(wěn)壓、非隔離的DC-DC轉(zhuǎn)換器。

  在上一段已經(jīng)提到,為了有更高的效率,隔離和穩(wěn)壓不會重復(fù)。

雖然穩(wěn)壓是由DCM和ZVS降壓穩(wěn)壓器重復(fù)進行的,但由于ZVS降壓穩(wěn)壓器的高效率,從高電壓到所需電壓的整體效率可以達到90%以上。

ChiP—轉(zhuǎn)換器級封裝:

  DCM DC-DC轉(zhuǎn)換器藉由突破性封裝技術(shù)—轉(zhuǎn)換器級封裝(ChiP)技術(shù)進行封裝。

  為了實現(xiàn)更高的功率效率、功率密度和設(shè)計靈活性,功率組件封裝技術(shù)必須持續(xù)改良,因此,ChiP的推出可優(yōu)化電氣和熱效能。

  ChiP產(chǎn)品的設(shè)計在PCB兩面都有功率組件,可減少寄生導(dǎo)致的損耗,從而不僅可對整個封裝均勻徹底地散熱,而且還可利用頂部和底部表面進行散熱。

  ChiP產(chǎn)品封裝在熱增強型模壓化合物中,不僅可降低溫差,而且還可為便捷使用熱管理配件(散熱器、冷板和熱管等)提供平整的模組頂部和底部表面。

  ZVS降壓拓撲結(jié)構(gòu):

  除了一個連接在輸出電感器兩端的新增鉗制開關(guān)外,ZVS降壓拓撲結(jié)構(gòu)與常規(guī)降壓轉(zhuǎn)換器完全相同。新增的鉗制開關(guān)允許將存儲在輸出電感器中的能量用于實現(xiàn)零電壓開關(guān)。

  ZVS降壓拓撲結(jié)構(gòu)的時序,它主要由以下三個狀態(tài)組成。

  -Q1導(dǎo)通階段

  o假設(shè)Q1在共振躍遷后在近零電壓下接通。當(dāng)DS電壓幾乎為零時,Q1在零電流下接通。MOSFET和輸出電感器中的電流逐漸升高,準(zhǔn)時達到由Q1決定的峰值電流。在Q1導(dǎo)通階段,能量儲存在輸出中,可為輸出電容器充電。在Q1導(dǎo)通階段,Q1中的功耗是由MOSFET導(dǎo)通電阻決定的;開關(guān)損耗可以忽略不計。

  -Q2導(dǎo)通階段

  oQ1迅速關(guān)斷,接著是一個很短時間的本體二極體導(dǎo)通,這增加了可以忽略不計的功耗。接下來,Q2接通,儲存在輸出 電感器中的能量提供給負載和輸出電容器。當(dāng)電感器電流達到零時,同步MOSFET保持很長時間,其時長足以在輸出電感器中儲存一些來自輸出電容器的能量。 電感器電流稍微變?yōu)樨撝怠?/p>

  -鉗制階段

  o一旦控制器確定有足夠的能量儲存在電感器中,同步MOSFET就會關(guān)斷,而且鉗制開關(guān)就會接通,將Vs節(jié)點鉗制至 輸出電壓。鉗制開關(guān)可將輸出電感器電流與輸出隔離開來,同時還能夠以幾乎無損耗的方式按照電流形式循環(huán)儲存的能量。在鉗制階段,由輸出電容器提供的輸出在 該階段持續(xù)很短時間。

  o當(dāng)鉗制階段結(jié)束時,鉗制開關(guān)就會打開。輸出電感器中儲存的能量會與Q1和Q2輸出電容產(chǎn)生諧振,導(dǎo)致Vs節(jié)點向輸入電壓發(fā)出響鈴。

  o該響鈴可對Q1的輸出電容進行放電,減少Q(mào)1的米勒電荷,并可為Q2的輸出電容充電。當(dāng)Vs節(jié)點幾乎等于輸入電壓并采用無損方式時,就允許Q1接通。

圖9:ZVS降壓時序圖

  無人機的軍用標(biāo)準(zhǔn)

  在一些無人機應(yīng)用中,需要滿足MIL-STD-461 MIL-STD-704/1275等軍用標(biāo)準(zhǔn),其分別代表EMI和瞬態(tài)。

  此外,Vicor還提供濾波器模組和兼容型Vicor DC-DC轉(zhuǎn)換器來實現(xiàn)各種合規(guī)性。

  Vicor濾波器模組不僅可充分滿足特定軍用標(biāo)準(zhǔn)要求,同時還能與兼容型Vicor DC-DC模組搭配使用。

  無人機資料鏈的電源解決方案:

圖10:無人機資料鏈解決方案

  對于無人機資料鏈解決方案,Picor濾波器模組(MPQI-18)和DC-DC模組(Cool-Power PI31xx)可用來為12V和15V電壓提供50W(總共100W)功率,符合MIL-STD- 461E EMI標(biāo)準(zhǔn)。

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