无人机电源系统设计方案探讨

SAC拓扑结构是一个处于BCM模组核心位置的动态、高效能引擎。

SAC是基于变压器的串联谐振拓扑结构，在等于初级侧储能电路谐振频率的固定频率下工作。初级侧的开关FET锁定为初级的自然谐振频率，在零交叉点开关，从而可消除开关中的功耗，提高效率，显著减少高阶杂讯谐波的产生。初级谐振回路是纯正弦曲线(图7所示)，从而可减少谐波内容，提供更干净的输出杂讯频谱。由于SAC的高工作频率，可使用较小的变压器来提高功率密度和效率。?

ZVS降压-升压拓扑结构：

PRM(前置稳压器模组)采用一个专利降压-升压稳压器控制架构来提供高效率升压/降压之稳压。

图8 ： ZVS降压-升压

PRM在固定开关频率下工作，通常为1 MHz(最大值为1.5 MHz)，它还具有提高输出功率的并联能力。ZVS降压-升压开关顺序是相同的，无论它是降压还是升压。

ZVS降压-升压拓扑结构有四级。

- Q1和Q4导通可在变压器内储存能量，然后藉由Q3进行ZVS转变

- Q1和Q3导通可提供从输入到输出的路径，然后藉由Q2进行ZVS转变

- Q2和Q3导通可进入自由轮转级，然后藉由Q4进行ZVS转变

- 在钳制阶段Q2和Q4导通，可藉由Q1进行ZVS转变

- 完成4级之后，就是一个循环。

28V / 270V输入源到多路输出DC-DC转换：

航空、资料链、雷达以及飞控系统等有效负载都需要包括15V、12V、5V、3.3V在内的广泛电压，因此需要下游DC-DC转换器或niPoL提供所需的电压作为有效负载的多路输出。

除了整流器，还有非稳压、非隔离270VDC电源，其可藉由MIL-COTS DCM DC-DC转换器和Picor ZVS降压稳压器提供给隔离、稳压的多路输出。

在第一级，MDCM DC-DC将一个非稳压输入(28V或270V)转换为一个隔离、稳压的28V电压，然后藉由下游非隔离式ZVS稳压器转换为多路输出。

在后一级，Coop Power ZVS降压稳压器将28V转换为负载所需的电压。

DCM是一款隔离、稳压的DC-DC转换器。

ZVS降压稳压器是一款稳压、非隔离的DC-DC转换器。

在上一段已经提到，为了有更高的效率，隔离和稳压不会重复。

虽然稳压是由DCM和ZVS降压稳压器重复进行的，但由于ZVS降压稳压器的高效率，从高电压到所需电压的整体效率可以达到90%以上。

ChiP—转换器级封装：

DCM DC-DC转换器藉由突破性封装技术—转换器级封装(ChiP)技术进行封装。

为了实现更高的功率效率、功率密度和设计灵活性，功率组件封装技术必须持续改良，因此，ChiP的推出可优化电气和热效能。

ChiP产品的设计在PCB两面都有功率组件，可减少寄生导致的损耗，从而不仅可对整个封装均匀彻底地散热，而且还可利用顶部和底部表面进行散热。

ChiP产品封装在热增强型模压化合物中，不仅可降低温差，而且还可为便捷使用热管理配件(散热器、冷板和热管等)提供平整的模组顶部和底部表面。

ZVS降压拓扑结构：

除了一个连接在输出电感器两端的新增钳制开关外，ZVS降压拓扑结构与常规降压转换器完全相同。新增的钳制开关允许将存储在输出电感器中的能量用于实现零电压开关。

ZVS降压拓扑结构的时序，它主要由以下三个状态组成。

- Q1导通阶段

o 假设Q1在共振跃迁后在近零电压下接通。当DS电压几乎为零时，Q1在零电流下接通。MOSFET和输出电感器中的电流逐渐升高，准时达到由Q1决定的峰值电流。在Q1导通阶段，能量储存在输出中，可为输出电容器充电。在Q1导通阶段，Q1中的功耗是由MOSFET导通电阻决定的;开关损耗可以忽略不计。

- Q2导通阶段

o Q1迅速关断，接着是一个很短时间的本体二极体导通，这增加了可以忽略不计的功耗。接下来，Q2接通，储存在输出电感器中的能量提供给负载和输出电容器。当电感器电流达到零时，同步MOSFET保持很长时间，其时长足以在输出电感器中储存一些来自输出电容器的能量。电感器电流稍微变为负值。

-钳制阶段

o 一旦控制器确定有足够的能量储存在电感器中，同步MOSFET就会关断，而且钳制开关就会接通，将Vs节点钳制至输出电压。钳制开关可将输出电感器电流与输出隔离开来，同时还能够以几乎无损耗的方式按照电流形式循环储存的能量。在钳制阶段，由输出电容器提供的输出在该阶段持续很短时间。

o 当钳制阶段结束时，钳制开关就会打开。输出电感器中储存的能量会与Q1和Q2输出电容产生谐振，导致Vs节点向输入电压发出响铃。

o 该响铃可对Q1的输出电容进行放电，减少Q1的米勒电荷，并可为Q2的输出电容充电。当Vs节点几乎等于输入电压并采用无损方式时，就允许Q1接通。

图9 ： ZVS降压时序图

无人机的军用标准

在一些无人机应用中，需要满足MIL-STD-461 MIL-STD-704/1275等军用标准，其分别代表EMI和瞬态。

此外，Vicor还提供滤波器模组和兼容型Vicor DC-DC转换器来实现各种合规性。

Vicor滤波器模组不仅可充分满足特定军用标准要求，同时还能与兼容型Vicor DC-DC模组搭配使用。

无人机资料链的电源解决方案：

图10 ： 无人机资料链解决方案

对于无人机资料链解决方案，Picor滤波器模组(MPQI-18)和DC-DC模组(Cool-Power PI31xx)可用来为12V和15V电压提供50W(总共100W)功率，符合MIL-STD- 461E EMI标准。

MQPI-18是一款采用LGA封装(25×25×4.5毫米，2.4G)的滤波器模组，用来满足MIL-STD-461E的EMI要求。

军用级Cool-Power DC-DC转换器采用PSiP(22×16.5×6.7mm，7.8g)封装，用来为所需的电压提供宽泛的输入(16-50V)。

采用Picor滤波器模组和DC-DC转换器模组的解决方案符合MIL-STD461E标准，不是大尺寸的被动组件，可为无人机资料链及其它设备提供高密度电源解决方案。

结论

采用Vicor模组化电源解决方案，可以使无人机电源系统的设计具有体积小、重量轻和高密度的特点，从而可携带更多有效负载，执行更多任务。

此外，Vicor还将提供创新、高效能和良好品质的电源组件/解决方案，为客户提供极大的竞争优势。