Modulrendszerű áramellátó hálózatok tervezése kipányvázott UAV-k számára

A pilóta nélküli légi járműveket (UAV. umanned aerial vehicle) vagy más néven drónokat egyre gyakrabban használják nagy igénybevételt jelentő feladatokra, például a katonai, tűzoltási és mezőgazdasági célú terepfelderítésben. Ezek és sok más felhasználási mód megkövetelik, hogy a drón hosszú ideig a levegőben maradjon, így az akkumulátoros áramellátás nem jöhet szóba. Ehelyett a drónt a repülés időtartama alatt egy pányvázókötélként is szolgáló kábelen keresztül látják el energiával.

Ezek a kábelek azonban új kihívásokat jelentenek. A vastagabb kábelnek kisebb a villamos ellenállása, de nagyobb terhet ró a drónra, csökkentve a hordozható hasznos teher tömegét. A vékony kábelek ezzel szemben növelik a villamos ellenállást, ami a drónokhoz használt pányvázókötelek jellemzően nagy hosszúsága miatt elfogadhatatlan energiaveszteséget és feszültségesést okoz. A mérnökök a vékonyabb kábelekkel járó veszteségeket a kábelfeszültség 800 V-ra növelésével igyekeznek leküzdeni. Ez a feszültségnövelés segít csökkenteni az adott teljesítményigényhez szükséges áramerősséget.

A feladat ezután a nagyfeszültségnek a drónon belüli kezelése lesz. A drón áramelosztó hálózatának képesnek kell lennie fogadni a nagyfeszültséget, és hatékonyan lecsökkenteni azt az UAV rendszerei által igényelt kisebb feszültségekre. Az energiagazdálkodási megoldásoknak könnyűeknek és kis méretűeknek kell lenniük, hogy minimálisra csökkentsék a jármű által hordozható hasznos teherre gyakorolt hatást.

Ez a cikk a kipányvázott drónokhoz való nagyfeszültségű ellátórendszerek előnyeit tárgyalja. Ezután elmagyarázza, hogy a jó hatásfokú és nagy teljesítménysűrűségű (vagy más szavakkal jó fajlagos teljesítményű) sínátalakító modulok (BCM, bus converter module) és a nullfeszültségen kapcsoló (ZVS, zero-voltage switching) feszültségcsökkentő feszültségátalakítók miért jelentenek jó lehetőséget a kipányvázott UAV-k áramelosztó hálózatainak tervezésekor. A Vicor sínátalakító moduljaira és nullfeszültségen kapcsoló feszültségcsökkentő feszültségátalakítóira alapuló példák bemutatása és felhasználása segít megmutatni, hogyan lehet könnyű, mégis jó hatásfokú táphálózatot tervezni.

A magasabb feszültségek könnyebb kábeleket tesznek lehetővé

A pányvázókötelek leveszik a tervezők válláról azt a terhet, amelyet az akkumulátorok jelentette korlátozások rónak a drónokra (1. ábra). Az UAV-k hosszú ideig képesek a levegőben maradni, feltéve, hogy van földi áramellátás. Ez lehetővé teszi, hogy olyan felhasználási területeken lehessen őket használni, mint a megfigyelőplatformok és a horizonton túli rádióátjátszók. A megoldás hátránya az, hogy a drónnak esetlegesen egy nehéz kábelt kell a magasban tartania, ami korlátozhatja a működési hatótávolságát és a hasznos terhelés – például kamerák vagy rádióberendezések – hordozására való kapacitását.

1. ábra: A drónok hosszú ideig a levegőben maradhatnak, ha a kábelen át kapnak áramellátást (kép: Vicor)

A kereskedelmi drónok különböző rendszereihez többféle egyenfeszültségre van szükség. Például a villanymotorok esetében a 48 V a szokásos tápfeszültség, míg az érzékelők, a működtetőelemek és a vezérlőelektronika esetében a 12, 5 és 3,3 V a jellemző feszültségérték. A vékony, könnyű kábelek segítenek csökkenteni a drón által hordozott terhek tömegét, de ha 48 V-os tápegységet használunk, a kábel nagyobb ellenállása (az ellenállás a kábel keresztmetszetének csökkenésével nő) hosszabb kábelek esetén elfogadhatatlanul nagy feszültségesést (definíció szerint a kábel túlsó végén a forrásfeszültség 3–5 százalékánál nagyobb feszültségesést) és energiaveszteséget okozhat.

A kábel okozta feszültségesés és teljesítményveszteség inkább a kábelen folyó áramerősséggel, mintsem a feszültséggel arányos. Így például egy 48 V tápfeszültségről 1,5 kW állandó teljesítményt igénylő kereskedelmi drón esetében 1500/48 = 31,25 A áramerősségre van szükség. Ugyanakkora teljesítményt lehet biztosítani a feszültség növelésével is, ezáltal csökkentve az áramszükségletet, és ennek következtében a feszültségesést és a teljesítményveszteséget. Például egy 800 V-os tápegység használata esetén mindössze 1500/800 = 1,9 A áramerősség szükséges. Az ilyen áramellátás lehetővé teszi a tervező számára, hogy biztonságosan használjon valamilyen könnyű kábelt.

Energiaellátó hálózat drónokhoz

A nagyobb feszültségű tápegységek és a könnyebb pányvázókötelek előnyeinek kihasználásához a mérnököknek olyan áramelosztó hálózatokat kell tervezniük, amelyek biztonságosan és hatékonyan képesek a kábelben szállított nagyfeszültséget a drón rendszereihez szükséges üzemi feszültségre csökkenteni.

A 2. ábra egy ilyen hálózatra mutat példát. Ez a hálózat a Vicor sínátalakító moduljainak és nullfeszültségen kapcsoló feszültségcsökkentő feszültségátalakítóinak felhasználásával készült.

2. ábra: Egy kipányvázott drón áramelosztó hálózata. Figyelje meg, hogy a földi rendszerekhez használt 48 V-os sínfeszültség a kábelben 800 V-ra van növelve, majd a drónnál visszacsökkenti a rendszer 48 V-ra (kép: Vicor)

Ebben a példában egy sínátalakító modul a háromfázisú 208 V váltakozó feszültséget 48 V egyenfeszültséggé alakítja át a drón földi számítógépes rendszerei számára. A nullfeszültségen kapcsoló feszültségcsökkentő feszültségátalakítók a 48 V tápfeszültséget az egyes földi eszközök által használt 12, 5, illetve 3,3 V-ra csökkentik. A 48 V egyenfeszültséget ezután egy második sínátalakító modul 800 V-ra növeli, hogy minimalizálja a kábelben fellépő feszültségesést és energiaveszteséget.

A drónnál aztán egy harmadik sínátalakító modul visszacsökkenti a feszültséget 48 V-ra. A drón áramelosztó hálózata további feszültségcsökkentő feszültségátalakítókat tartalmaz a kamerák, érzékelők és logikai eszközök megfelelő feszültséggel való ellátásához.

A javasolt sínátalakító modulok ehhez a készülékhez a Vicor BCM4414VD1E5135C02 a kezdeti 208 V váltakozó feszültség 48 V egyenfeszültséggé alakításhoz, valamint a BCM4414VH0E5035M02 a 48 V egyenfeszültség 800 V egyenfeszültséggé alakításához, majd 48 V egyenfeszültségre való visszaalakításához.

A BCM4414VD1E5135C02 modul 260–400 V-os sínről működik, és 32,5–51,3 V-os alacsonyoldali kimenő egyenfeszültséget kínál. Az eszköz maximum 35 A folyamatos alacsonyoldali áramot és 49 W/cm³ (watt/köbcentiméter) teljesítménysűrűséget, valamint 97,7 százalékos legjobb hatásfokot kínál (3. ábra).

3. ábra: A Vicor sínátalakító moduljai széles alacsonyoldali áramerősség-tartományban jó hatásfokot mutatnak (házhőmérséklet: T_CASE = 25 ˚C) (kép: Vicor)

A BCM4414VH0E5035M02 modul 500–800 V-os sínről működik, és 31,3–50,0 V-os alacsonyoldali kimenő egyenfeszültséget kínál 1,5 kW legnagyobb folyamatos teljesítmény mellett. A folyamatos alacsonyoldali áramerősség, a teljesítménysűrűség és a legjobb hatásfok megegyezik a testvértermékével. A sínátalakító modul 110,5 mm × 35,5 mm × 9,4 mm méretű készülékházban kapható, és 145 g tömegű.

A Vicor sínátalakító modulok rugalmas hűtési lehetőségeket is kínálnak, nagyon kis felső és alsó oldali hőimpedanciával. Az eszközök használatával az energiarendszer tervezője képes csökkenteni a pányvázókötél (kábel), valamint a földi tápegység és a drón méretét és tömegét.

A Vicor sínátalakító modulok egyenfeszültségű (DC–DC) tápegységek, így a 2. ábrán látható első sínátalakító modul előtt a kezdeti 208 V bemenő háromfázisú váltakozó feszültséget egyenfeszültséggé kell alakítani. A váltakozó feszültség egyenirányításához megfelelő eszköz a Vicor valamelyik váltakozó áramú bemenetű modulja (AIM, AC input module), például az AIM1714VB6MC7D5C00 (4. ábra). A váltakozó áramú bemenetű modul 85–264 V bemenő váltakozó feszültséget fogad, és egyenirányított kimenőfeszültséget ad le maximum 5,3 A áramerősségig és 450 W teljesítményig.

4. ábra: A sínátalakító modul a bemenő váltakozó feszültség egyenirányítását igényli. Erre megoldást kínálnak az olyan eszközök, mint a Vicor háromfázisú váltakozó áramú bemenetű moduljai (kép: Vicor)

Feszültségcsökkentő feszültségszabályozás nagy teljesítménysűrűséggel és rugalmassággal

Miután a földi állomáson vagy a drónon lévő sínátalakító modul 48 V-os egyenfeszültségre szabályozta a feszültséget, nullfeszültségen kapcsoló feszültségcsökkentő feszültségszabályozókra van szükség a feszültségnek a különböző rendszerek áramellátásához való további csökkentéséhez. Különösen a drónokban a feszültségcsökkentő feszültségszabályozóknak nagy teljesítménysűrűségűeknek és jó hatásfokúaknak kell lenniük, hogy kis méretű és könnyű tápegységet lehessen velük létrehozni. A nullfeszültségen kapcsoló feszültségcsökkentő feszültségszabályozók jól használhatóak erre a feladatra.

A hagyományos kapcsolóüzemű feszültségszabályozók esetében a rosszabb hatásfok egyik fő forrását a bennük lévő MOSFET-ek kapcsolási veszteségei jelentik, és ezek a MOSFET-ek csökkentik a teljesítménysűrűséget is. A nullfeszültségen kapcsoló eszközök kezelik ezeket a veszteségeket, és különösen előnyös a használatuk viszonylag nagy bemenőfeszültséggel működő feszültségcsökkentő feszültségszabályozókként.

A nullfeszültségen kapcsoló (más néven „lágy kapcsolású”) eszközök mechanizmusa összetett, de leginkább úgy határozható meg, mint a hagyományos impulzusszélesség-modulációs (PWM) áramátalakítás a MOSFET nyitott állapotában, de „rezonáns” kapcsolási átmenetekkel. A kimenőfeszültség szabályozása a tényleges munkaciklus (és így a „nyitva tartási” idő) beállításával érhető el, amihez viszont a kapcsolóüzemű feszültségszabályozó átalakítási frekvenciáját kell változtatni.

A nullfeszültségen kapcsoló eszköz kikapcsolt állapotának időtartama alatt a feszültségszabályozó L-C áramköre rezeg (rezonál), az eszközre (kapcsolóra) adott feszültséget a nulláról a csúcsértékig, majd vissza nullára változtatva, amikor a kapcsoló újra működtethető. A folyamat során a kapcsolóüzemű feszültségszabályozó MOSFET-jeinek kapcsolási vesztesége nulla, függetlenül az üzemi frekvenciától és a bemenőfeszültségtől, ami jelentős energiamegtakarítást és a hatásfok jelentős javulását eredményezi. (Lásd: A Review of Zero-Voltage Switching and its Importance to Voltage Regulation (A nullfeszültségű kapcsolás áttekintése és jelentősége a feszültségszabályozásban).)

A Vicor nullfeszültségen kapcsoló feszültségcsökkentő feszültségszabályozók egész sorát gyártja, amelyek beépítve tartalmazzák a vezérlőáramköröket, a teljesítmény-félvezetőket és a kiegészítő alkatrészeket is, nagy sűrűségű, LGA és BGA tokozású, valamint egy tokba épített rendszert (SiP) alkotó eszközök formájában. A kapcsolóüzemű feszültségszabályozók kiegészítik a drón áramelosztó áramkörének más részein használt sínátalakító modulokat. A nullfeszültségen kapcsoló feszültségcsökkentő feszültségszabályozók nagy teljesítménysűrűséget és rugalmasságot kínálnak a jó hatásfokú terhelésponti (POL, point-of-load) egyenfeszültség-szabályozáshoz. Arra használhatók, hogy a 48 V-os sín feszültségét a drón többi alrendszere számára jó hatásfokkal csökkentsék 3,3, 5 és 12 V-ra.

A nullfeszültségen kapcsoló feszültségcsökkentő feszültségszabályozók közé tartozik például a PI352x-00 termékcsalád. A PI352x-00 feszültségszabályozóknak csak egy külső tekercsre (induktorra), két feszültségválasztó ellenállásra és minimális számú kondenzátorra van szükségük egy kész egyenfeszültségű kapcsolóüzemű feszültségcsökkentő feszültségszabályzó kialakításához. Mindegyik feszültségszabályozó 30–60 V bemenőfeszültségről működik. A termékcsaládot három eszköz alkotja: a PI3523-00, amely 3,3 V névleges kimenőfeszültséget (2,2–4 V-os tartomány) és legfeljebb 22 A-t, a PI3525-00, amely 5,0 V névleges kimenőfeszültséget (4–6,5 V-os tartomány) és legfeljebb 20 A-t, valamint a PI3526-00, amely 12 V névleges kimenőfeszültséget (6,5–14 V-os tartomány) és legfeljebb 18 A-t szolgáltat. Az eszközök 10 mm × 14 mm × 2,56 mm-es LGA tokozásban, egy tokba épített rendszerként (SiP) kaphatóak.

Nullfeszültségen kapcsoló feszültségszabályozók hozzáadása a nagy teljesítménysűrűségű hálózathoz

A nullfeszültségen kapcsoló feszültségcsökkentő feszültségszabályozók teljesítményének optimalizálása némi, a drón áramelosztó hálózatán végzett tervezési munkát tesz szükségessé. Az 5. ábrán a PI352x-00 család minden egyes tagjához szükséges külső alkatrészek is láthatóak.

5. ábra: A Vicor nullfeszültségen kapcsoló feszültségcsökkentő feszültségszabályozójához egy külső tekercsre (induktorra), a kimenőfeszültség beállításához ellenállásosztó hálózatra, valamint szűrőkondenzátorokra van szükség (kép: Vicor)

Az eszközök mindegyikéhez szükség van külső induktorra. A Vicor a hatásfok maximálisra növelése érdekében kiszámította az energiatároló eszköz induktivitásának értékét. A PI3523 és a PI3525 típushoz 230 nH, míg a P13526 típushoz 480 nH induktivitású tekercs használata ajánlott.

Míg a PI352x-00 termékcsalád minden tagja közvetlenül képes kezelni a megfelelő sínátalakító modulból származó 48 V bemenő egyenfeszültséget (a feszültségcsökkentő feszültségszabályozók bemeneti tartománya 30–60 V egyenfeszültség), a kimenőfeszültség beállításához ki kell választani a – REA1 és REA2 – kimeneti ellenállást, amelyek együtt egy ellenállásosztó hálózatot alkotnak.

A REA2 ellenállásnak a legjobb zajvédelem érdekében a kimenőfeszültségtől függetlenül 1 kΩ értékűnek kell lennie. A REA1 értékét ezután a következő képlet alapján lehet kiszámítani:

A tekercsek értéke mellett a Vicor a nagy teljesítményű fokozat megfelelő indításának és nagyfrekvenciás leválasztásának biztosítása érdekében megadja a C_IN és a C_OUT kondenzátor ajánlott értékeit is. A PI352x-00 termékcsalád szinte az összes nagyfrekvenciás áramot a kis impedanciájú kerámiakondenzátorokból vonja el, amikor a magasoldali fő MOSFET-ek nyitva vannak (vezetnek). Ezután, mialatt a MOSFET-ek zárva vannak, a kondenzátorok feltöltődnek az áramforrásból. Az 1. táblázatban a kondenzátorok értékei, valamint a búgóáramok és -feszültségek ezekből eredő értékei láthatóak.

1. táblázat: A Vicor P1352x be- és kimeneti kondenzátorainak ajánlott értékei névleges hálózati feszültség és névleges feszültség-finombeállítás esetén (táblázat: Vicor)

A PI352x-00 termékcsalád optimális hatásfokának és kis elektromágneses zavarásának (EMI) biztosításához elengedhetetlen a minimális vezetőcsík-ellenállás és a nagyáramú visszafolyó hurok kialakítása, valamint az alkatrészek megfelelő elhelyezése. A 6. ábra a feszültségszabályozó és a külső alkatrészek ajánlott elrendezését mutatja. Ezt az elrendezést használja a PI3526-00-EVAL1 PI352x-00 fejlesztőkártya is.

6. ábra: A Vicor nullfeszültségen kapcsoló szabályozó, a tekercs, valamint a be- és kimeneti kondenzátorok optimális elrendezése (kép: Vicor)

A 6. ábrán látható kék hurok a szabályozó nagy visszatérő váltakozó áramának a be- és kimeneti kondenzátorok (valamint a V_IN bemenő- és a V_OUT kimenőfeszültség) közötti szűk útvonalát mutatja, amely segíti a hatásfok javítását.

Összegzés

A drónok hatótávolságának és a szállítható hasznos tehernek az optimalizálása érdekében a mérnökök a könnyű, nagyfeszültségű kábelek használatára tértek át. Ezek minimálisra csökkentik a kábelekben fellépő energiaveszteséget és feszültségesést. A kábelekben lévő nagyobb feszültségeket azonban biztonságosan és jó hatásfokkal kell a sínfeszültségek értékére csökkenteni és szabályozni, majd tovább csökkenteni a drónok elektronikus rendszereihez szükséges feszültségekre, és szintén szabályozni.

A Vicor nagy teljesítménysűrűségű és jó hatásfokú sínátalakító moduljai könnyen megvalósítható megoldást nyújtanak a feszültségek szükséges mértékű csökkentésére, illetve növelésére a földi állomás, a kábel és a drón között. A sínátalakító modulokat kis kapcsolási veszteségű, nullfeszültségen kapcsoló feszültségcsökkentő feszültségszabályozók egészítik ki, amelyek 97 százalékosnál is jobb hatásfokkal csökkentik a sínfeszültséget a drón különböző alrendszerei számára szükséges 3,3, 5 és 12 V-ra.