Tehokkaiden modulaaristen tehonsyöttöverkkojen suunnittelu ankkuroituja UAV-aluksia varten

Miehittämättömiä ilma-aluksia (UAV) eli ”drooneja” käytetään yhä useammin raskaaseen käyttöön, kuten asevoimien maastotiedustelussa, palontorjunnassa ja maataloudessa. Nämä ja monet muut käyttötapaukset edellyttävät droonin pysyvän ilmassa pitkiä aikoja, joten akut eivät ole vaihtoehto. Sen sijaan droonille syötetään virtaa ankkuroidun kaapelin kautta lennon keston ajan.

Ankkuroinnista aiheutuu kuitenkin uusia haasteita. Paksumpi kiinnitysvaijeri tarjoaa pienemmän sähköisen vastuksen, mutta kasvattaa droonin kuormitusta ja rajoittaa sen kantokykyä. Ohuet kaapelit lisäävät sähköistä vastusta, mikä aiheuttaa liian suuren tehohäviön ja jännitteen laskun tyypillisesti pitkissä kiinnitysvaijereissa. Ohuempiin kaapeleihin liittyviä häviöitä yritetään ratkaista nostamalla kaapelin jännite jopa 800 volttiin. Tämän noston ansiosta sama tehovaatimus voidaan täyttää matalammalla sähkövirralla.

Seuraava haaste onkin sitten suurjännitteen käsittely droonin päässä. Droonin tehonjakeluverkon on kyettävä vastaanottamaan suurjännite ja laskemaan se hyvällä hyötysuhteella UAV:n järjestelmien vaatimiin matalampiin jännitteisiin. Tehonhallintaratkaisujen on oltava kevyitä ja pienikokoisia, jotta niillä olisi mahdollisimman vähäinen vaikutus ilma-aluksen kantokykyyn.

Tässä artikkelissa käsitellään ankkuroiduille drooneille tarkoitettujen suurjännitesyöttöjärjestelmien etuja. Sen jälkeen artikkelissa selitetään, miksi korkean hyötysuhteen ja korkean tehotiheyden väylämuunninmoduulit (BCM) ja nollajännitekytkentää (ZVS) käyttävät jännitteenalennusmuuntimet ovat hyvä vaihtoehto suunniteltaessa tehonjakeluverkkoja ankkuroituja UAV-sovelluksia varten. Artikkelissa esitellään esimerkkejä Vicorin BCM-piireistä ja ZVS-jännitteenalennusmuuntimista, minkä jälkeen niiden avulla esitellään, miten voidaan suunnitella kevyt mutta korkean hyötysuhteen tarjoava tehonjakeluverkko.

Korkeammat jännitteet mahdollistavat kevyemmät kaapelit

Kiinnitysvaijerit vapauttavat suunnittelijat rajoituksista, joita akut asettavat drooneille (kuva 1). Droonit voivat pysyä ilmassa pitkiä aikoja, mikäli maasta syötettävää tehoa on saatavilla, jolloin niitä voidaan käyttää esimerkiksi tarkkailualustoina tai horisontin ylittävinä radiolinkkeinä. Huonona puolena on se, että droonin pitää nostaa ilmaan painava kaapelivaijeri, mikä voi rajoittaa sekä sen toiminta-aluetta että kantokykyä, jota vaaditaan esimerkiksi kameroiden tai radiolaitteiden kaltaisia hyötykuormia varten.

Kuva 1: Droonit voivat pysytellä ilmassa pitkiä aikoja käyttämällä kiinnitysvaijeria pitkin syötettyä tehoa. (Kuvan lähde: Vicor)

Kaupallisten droonien erilaiset järjestelmät vaativat useita erisuuruisia tasavirtajännitteitä. Esimerkiksi 48 volttia on yleinen moottoreissa, kun taas 12, 5 ja 3,3 volttia ovat tyypillisiä antureille, toimilaitteille ja ohjauselektroniikalle. Ohuet ja kevyet kiinnitysvaijerit auttavat vähentämään droonin painokuormaa, mutta kaapelin korkeampi resistanssi (resistanssi kasvaa kaapelin poikkipinta-alan pienentyessä) voi aiheuttaa liian suuren jännitehäviön (yli 3–5 prosentin jännitehäviö teholähteen jännitteestä kaapelin toisessa päässä) ja tehohäviön pitkissä kaapeleissa käytettäessä 48 voltin syöttöjännitettä.

Kaapelin jännitehäviö ja tehohäviö ovat verrannollisia kaapelissa kulkevaan sähkövirtaan, eivät jännitteeseen. Siten esimerkiksi kaupallinen drooni, joka vaatii 1,5 kilowatin (kW) jatkuvan tehon ja jota syötetään 48 voltin teholähteellä, vaatii 1 500 / 48 = 31,25 ampeeria (A) sähkövirtaa. Sama teho voidaan syöttää nostamalla jännitettä, jolloin virtavaatimus laskee ja tämän myötä myös jännitehäviö ja tehohäviö laskevat. Esimerkiksi käytettäessä 800 voltin syöttöjännitettä tarvitaan vain 1 500 / 800 = 1,9 ampeerin sähkövirta. Tällaisen teholähteen ansiosta voidaan huoletta käyttää kevyttä kaapelia.

Droonin tehonsyöttöverkko

Korkeampijännitteisten teholähteiden ja kevyempien kiinnitysvaijereiden hyödyntäminen vaatii sellaisten tehonjakeluverkkojen suunnittelua, jotka kykenevät turvallisesti laskemaan kiinnitysvaijeria myöten kulkevan suurjännitteen hyvällä hyötysuhteella droonin järjestelmien tarvitsemiin käyttöjännitteisiin.

Kuvassa 2 on esimerkki tällaisesta verkosta. Tämä verkko on rakennettu käyttämällä Vicorin BCM-piirejä ja ZVS-jännitteenalennusmuuntimia.

Kuva 2: Ankkuroidun droonin tehonjakeluverkko. Huomaa, miten maan pinnalla olevissa järjestelmissä käytettävä 48 voltin väyläjännite nostetaan 800 volttiin kiinnitysvaijerissa, minkä jälkeen se lasketaan takaisin 48 volttiin droonissa. (Kuvan lähde: Vicor)

Tässä esimerkissä BCM muuntaa kolmivaiheisen 208 voltin vaihtovirran 48 voltin tasavirraksi droonin maan pinnalla sijaitsevia tietokonejärjestelmiä varten. ZVS-jännitteenalennusmuuntimet laskevat 48 voltin syöttöjännitteen yksittäisten maan pinnalla sijaitsevien laitteiden käyttämiin 12, 5 ja 3,3 voltin jännitteisiin. Toinen BCM nostaa sitten 48 voltin tasavirran 800 volttiin, mikä minimoi jännitehäviön ja tehohäviön kaapelissa.

Droonin päässä kolmas BCM laskee sitten jännitteen takaisin 48 volttiin. Droonissa oleva tehonjakeluverkko sisältää lisää jännitteenalennusmuuntimia, jotta kameroille, antureille ja logiikalle voidaan syöttää sopivat jännitteet.

Suositeltuja BCM-piirejä tähän käyttötarkoitukseen ovat Vicorin BCM4414VD1E5135C02 alkuperäiseen muunnokseen 208 voltin vaihtovirrasta 48 voltin tasavirtaan ja BCM4414VH0E5035M02 48 voltin tasavirran muuntamiseen 800 voltin tasavirtaan ja takaisin.

BCM4414VD1E5135C02 toimii 260–400 voltin väyläjännitteellä ja tarjoaa 32,5–51,3 voltin jännitteen matalan puolen lähdössä. Laite tarjoaa jopa 35 A:n jatkuvan matalan puolen virran, jopa 49 W/cm³:n tehotiheyden ja korkeimmillaan 97,7 prosentin hyötysuhteen (kuva 3).

Kuva 3: Vicorin väylämuunninmoduulit tarjoavat hyvän hyötysuhteen laajalla matalan puolen virta-alueella (T_CASE = 25 °C). (Kuvan lähde: Vicor)

BCM4414VH0E5035M02 toimii 500–800 voltin väyläjännitteellä ja tarjoaa 31,3–50,0 voltin jännitteen matalan puolen lähdössä, ja sen jatkuva enimmäisteho on 1,5 kW. Jatkuva matalan puolen virta, tehotiheys ja paras hyötysuhde ovat samat kuin sen sisartuotteessa. BCM toimitetaan 110,5 × 35,5 × 9,4 mm:n kotelossa, ja se painaa 145 grammaa (g).

Vicorin BCM-piirit tarjoavat myös joustavia lämmönhallintavaihtoehtoja, sillä niiden ylä- ja alapinnan lämpöimpedanssit ovat erittäin matalat. Näitä laitteita käyttämällä voidaan vähentää kiinnitysvaijerin, maan pinnalla olevan teholähteen ja itse droonin kokoa ja painoa.

Vicorin BCM-piirit ovat DC/DC-teholähteitä, joten alkuperäinen kolmivaiheinen 208 voltin vaihtovirtatulo on muunnettava tasavirraksi ennen kuvan 2 ensimmäistä BCM-piiriä. Tasasuuntaukseen voidaan käyttää Vicorin AC-tulomoduulia (AIM), kuten AIM1714VB6MC7D5C00 (kuva 4.) AIM-laite vastaanottaa 85–264 voltin vaihtovirtatulon ja tuottaa tasasuunnattua sähkövirtaa, jonka virta on jopa 5,3 A ja teho jopa 450 wattia.

Kuva 4: BCM vaatii vaihtovirtatulon tasasuuntauksen. Vicorin kolmivaiheisen AIM-moduulin kaltainen laite tarjoaa ratkaisun tähän ongelmaan. (Kuvan lähde: Vicor)

Jännitteen laskeminen korkealla tehotiheydellä ja joustavuudella

Kun maa-aseman tai droonin BCM on muuntanut jännitteen 48 voltin tasavirraksi, tarvitaan ZVS-jännitteenalennusmuuntimia jännitteen laskemiseksi eri järjestelmien vaatimalle tasolle. Varsinkin droonissa olevien jännitteenalennusmuuntimien tehotiheyden ja hyötysuhteen pitää olla korkea, jotta niistä saadaan pieni ja kevyt teholähde. ZVS-jännitteenalennusmuuntimet soveltuvat tähän hyvin.

Perinteisten MOSFET-jännitteensäätimien kytkentähäviöt ovat keskeinen hyötysuhdetta laskeva tekijä, ja ne vaikuttavat negatiivisesti tehotiheyteen. ZVS vähentää näitä häviöitä ja on erityisen hyödyllinen jännitteenalennusmuuntimissa, joiden tulojännite on suhteellisen korkea.

ZVS-toimintamekanismi (tunnetaan myös nimellä ”soft switching”) on monimutkainen, mutta se voidaan parhaiten määritellä perinteiseksi pulssisuhdesäädön (PWM) tehomuunnokseksi MOSFET-transistorin päälläoloaikana ”resonoivilla” kytkentäsiirtymillä. Lähtöjännitteen säätö saavutetaan säätämällä tehollista käyttöjaksoa (ja näin ollen johtamisaikaa) vaihtelemalla hakkurin muuntotaajuutta.

ZVS-kytkimen ollessa ei-johtavassa tilassa säätimen L-C-piiri resonoi nostaen jännitteen kytkimessä nollasta huippuunsa, ja laskien sen takaisin nollaan kun kytkin voidaan taas aktivoida uudelleen. Tämän prosessin aikana jännitesäätimen MOSFET-transistorin siirtymähäviöt ovat nolla toimintataajuudesta ja syöttöjännitteestä riippumatta, mikä säästää merkittävästi tehoa ja parantaa hyötysuhdetta huomattavasti. (Katso ”Katsaus nollajännitekytkentään ja sen tärkeyteen jännitteen säätämisessä”.)

Vicor valmistaa erilaisia ZVS-jännitteenalennusmuuntimia, joihin on integroitu ohjauspiirit, tehoelektroniikan puolijohteet ja tukikomponentit korkean tiheyden LGA- ja BGA-koteloissa sekä SiP-järjestelmäpaketeissa. Hakkuriregulaattorit täydentävät droonin tehonjakelupiirin muissa osissa käytettyjä BCM-piirejä. ZVS-jännitteenalennusmuuntimet tarjoavat hyvän tehotiheyden ja joustavuutta kuormituspisteessä tapahtuvaa (Point-of-Load) korkean hyötysuhteen DC/DC-säätöä varten. Niitä voidaan käyttää 48 voltin väyläjännitteen laskemiseen korkealla hyötysuhteella 3,3, 5 ja 12 volttiin droonin muita alijärjestelmiä varten.

Yksi esimerkki ZVS-jännitteenalennusmuuntimesta on PI352x-00-tuoteperhe. PI352x-00-regulaattorit tarvitsevat vain ulkoisen induktiokelan, kaksi jännitteen valintavastusta ja minimaalisen määrän kondensaattoreita kokonaisen DC/DC-hakkuriregulaattorin muodostamiseksi. Kaikki regulaattorit toimivat 30–60 voltin syöttöjännitteellä. Tuoteperheessä on kolme laitetta: PI3523-00, joka tarjoaa 3,3 voltin (2,2–4 voltin alue) nimellislähtöjännitteen ja jopa 22 A:n lähtövirran, PI3525-00, joka tarjoaa 5,0 voltin nimellislähtöjännitteen (4–6,5 voltin alue) ja jopa 20 A:n lähtövirran, sekä PI3526-00, joka tarjoaa 12 voltin nimellislähtöjännitteen (6,5–14 voltin alue) ja jopa 18 A:n lähtövirran. Laitteet toimitetaan LGA SiP-järjestelmäpaketissa, jonka mitat ovat 10 × 14 × 2,56 mm.

ZVS-regulaattorien lisääminen tehonjakeluverkkoon

ZVS-jännitteenalennusmuuntimien suorituskyvyn optimointi droonin tehonjakeluverkossa vaatii jonkin verran suunnittelutyötä. Kuvassa 5 esitetään kunkin PI352x-00-tuoteperheen jäsenen vaatimat ulkoiset komponentit.

Kuva 5: Vicorin ZVS-jännitteenalennusmuunnin vaatii ulkoisen induktiokelan, vastuksia käyttävän jännitteenjakajapiirin lähtöjännitteen asettamista varten sekä kondensaattoreita suodatusta varten. (Kuvan lähde: Vicor)

Kukin laite vaatii ulkoisen induktiokelan. Vicor on laskenut energianvarastointilaitteen induktanssiarvon hyötysuhteen maksimoimiseksi. PI3523- ja PI3525-regulaattoreille suositellaan 230 nanohenryn (nH) induktiokelaa, kun taas P13526:n kanssa suositellaan käytettäväksi 480 nH:n induktiokelaa.

Vaikka jokainen PI352x-00-tuoteperheen jäsen pystyykin suoraan käsittelemään 48 voltin DC-tuloa vastaavasta BCM-lähdöstään (hakkuriregulaattoreiden tuloalue on 30–60 VDC), lähtöjännitteen asettaminen edellyttää lähtövastuksien (REA1 ja REA2) valintaa. Yhdessä nämä muodostavat jännitteenjakajapiirin.

Lähtöjännitteestä riippumatta REA2-resistanssin pitäisi olla 1 kΩ, jotta saavutetaan paras mahdollinen häiriönsietokyky. REA1-arvo voidaan sitten laskea seuraavasta kaavasta:

Kuristinarvojen lisäksi Vicor suosittelee arvoja myös C_IN- ja C_OUT-kondensaattoreille, joilla varmistetaan asianmukainen käynnistyminen ja tehoasteen erotus korkeilla taajuuksilla. PI352x-00-tuoteperhe käyttää lähes kaiken korkeataajuuksisen virran matalan impedanssin keraamisista kondensaattoreistaan, kun yläpuolen MOSFET-päätransistori ovat johtavassa tilassa. Sen jälkeen, kun MOSFET-transistorit ovat ei-johtavassa tilassa, kondensaattorit varataan teholähteestä. Taulukossa 1 luetellaan kondensaattorien arvot ja niitä vastaavat rippelivirrat ja jännitteet.

Taulukko 1: Vicorin P1352x-tulo- ja lähtökondensaattorien suositellut arvot nimellisellä linjajännitteellä ja nimellisasetuksella. (Taulukon lähde: Vicor)

Pi352x-00-tuoteperheen optimaalisen tehokkuuden ja vähäisten sähkömagneettisten häiriöiden (EMI) varmistamiseksi on erittäin tärkeää, että johtimien resistanssi on minimaalinen ja silmukoiden paluuvirrat ovat korkeita ja että komponentit on sijoitettu oikein. Kuvassa 6 esitetään regulaattorin ja ulkoisten osien suositeltu layout. PI3526-00-EVAL1 PI352x-00 -arviointipiirilevyssä käytetään kyseistä layoutia.

Kuva 6: Vicorin ZVS-regulaattorin, induktiokelan sekä tulo- ja lähtökondensaattorien optimaalinen layout. (Kuvan lähde: Vicor)

Kuvassa 6 oleva sininen silmukka osoittaa tulo- ja lähtökondensaattorien (sekä jännitteiden V_IN ja V_OUT) välillä olevan lyhyen polun, jota pitkin regulaattorin korkea paluuvaihtovirta kulkee. Tämä parantaa hyötysuhdetta.

Yhteenveto

Droonien toimintamatkan ja kantokyvyn optimoimiseksi on alettu käyttää korkeajännitteisiä kiinnitysvaijereita. Ne minimoivat kaapelien tehohäviön ja jännitehäviön. Kiinnitysvaijeria pitkin siirrettävä korkeajännitteinen virta on kuitenkin laskettava turvallisesti ja tehokkaasti väyläjännitteeksi ja sen jälkeen edelleen droonin elektroniikkajärjestelmien tarvitsemiksi syöttöjännitteiksi.

Vicorin BCM-piirien korkea tehotiheys ja korkea hyötysuhde tarjoavat helposti toteutettavan ratkaisun maa-aseman, kiinnitysvaijerin ja droonin välisten jännitteiden laskemiseen ja nostamiseen. BCM-piirejä täydentävät ZVS-jännitteenalennusmuuntimet, joiden kytkentähäviö on matala ja jotka tarjoavat 97 prosentin hyötysuhteen laskettaessa väyläjännite 3,3, 5 ja 12 volttiin, joita droonin eri alajärjestelmät tarvitsevat.