Entwicklung effizienter modularer Stromversorgungsnetze für kabelgebundene Drohnen

Unbemannte Luftfahrzeuge (UAVs) oder „Drohnen“ werden zunehmend für anspruchsvolle Anwendungen wie Bodenaufklärung für das Militär, Brandbekämpfung und Landwirtschaft eingesetzt. Für diese und viele andere Anwendungsfälle muss die Drohne lange in der Luft bleiben, weshalb Batterien keine Option sind. Stattdessen wird die Drohne über ein Kabel für die Dauer des Fluges mit Strom versorgt.

Die Kabelanbindung bringt jedoch neue Herausforderungen mit sich. Ein dickeres Kabel bietet zwar einen geringeren elektrischen Widerstand, belastet aber die Drohne stärker und schränkt ihre Tragfähigkeit ein. Dünne Kabel erhöhen den elektrischen Widerstand, was zu inakzeptabler Verlustleistung und Spannungsabfall bei den typischerweise großen Längen der Drohnenkabel führt. Ingenieure versuchen daher, die mit den dünneren Kabeln verbundenen Verluste zu überwinden, indem sie die Spannung des Kabelbaums auf bis zu 800 Volt erhöhen. Eine solche Erhöhung trägt dazu bei, den Strom für einen bestimmten Leistungsbedarf zu senken.

Die Herausforderung besteht dann im Umgang mit der Hochspannung in der Drohne. Das Stromverteilungsnetz der Drohne muss in der Lage sein, die hohe Spannung aufzunehmen und effizient auf die von den Drohnensystemen benötigten niedrigeren Spannungen herunterzustufen. Alle Lösungen für das Energiemanagement müssen leicht und kompakt sein, um die Tragfähigkeit des Fahrzeugs möglichst wenig zu beeinträchtigen.

In diesem Artikel werden die Vorteile von Hochspannungsversorgungssystemen für kabelgebundene Drohnen erörtert. Anschließend wird erläutert, warum hocheffiziente Buskonvertermodule (BCMs) mit hoher Leistungsdichte und spannungslos schaltende (ZVS) Abwärtsspannungswandler eine gute Option für die Entwicklung von Stromverteilungsnetzen für kabelgebundene Drohnen-Anwendungen sind. Anhand von Beispielen für BCMs und ZVS-Abwärtswandler von Vicor wird gezeigt, wie man ein leichtes, aber effizientes Stromnetz aufbauen kann.

Höhere Spannungen ermöglichen leichtere Kabel

Die Kabelanbindung befreit die Entwickler von den Beschränkungen, die die Batterien den Drohnen auferlegen (Abbildung 1). Die Drohnen können über lange Zeiträume in der Luft bleiben, vorausgesetzt, die Stromversorgung am Boden ist gewährleistet, so dass sie beispielsweise als Beobachtungsplattformen oder Funkrelais über dem Horizont eingesetzt werden können. Der Nachteil ist, dass die Drohne ein potenziell schweres Kabel in die Höhe ziehen muss, was sowohl ihre Reichweite als auch ihre Tragfähigkeit für Nutzlasten wie Kameras oder Funkgeräte einschränken kann.

Abbildung 1: Drohnen können über einen längeren Zeitraum in der Luft bleiben, wenn sie über ein Kabel mit Strom versorgt werden. (Bildquelle: Vicor)

Kommerzielle Drohnen benötigen mehrere Gleichspannungen für ihre verschiedenen Systeme. So sind beispielsweise 48 Volt für Motoren üblich, während 12, 5 und 3,3 Volt für Sensoren, Aktoren und Steuerelektronik typisch sind. Dünne, leichte Kabel tragen dazu bei, die Gewichtsbelastung der Drohne zu begrenzen, aber der höhere Widerstand des Kabels (der Widerstand nimmt mit abnehmendem Kabelquerschnitt zu) kann bei Verwendung einer 48-Volt-Versorgung zu einem unannehmbar hohen Spannungsabfall (definiert als Spannungsabfall von mehr als 3 bis 5 Prozent der Quellenspannung am anderen Ende des Kabels) und einer hohen Verlustleistung bei langen Kabelstrecken führen.

Der Spannungsabfall und die Verlustleistung des Kabels sind proportional zum Strom, den es führt, und nicht zur Spannung. So benötigt beispielsweise eine kommerzielle Drohne, die eine konstante Leistung von 1,5 Kilowatt (kW) benötigt und über eine 48-Volt-Versorgung betrieben wird, einen Strom von 1500/48 = 31,25 Ampere (A). Die gleiche Leistung kann durch Erhöhung der Spannung erbracht werden, wodurch der Strombedarf und damit der Spannungsabfall und die Verlustleistung sinken. Bei einer 800-Volt-Versorgung wird zum Beispiel nur ein Strom von 1500/800 = 1,9 A benötigt. Eine solche Versorgung ermöglicht die sichere Verwendung eines leichten Kabels.

Ein Energieversorgungsnetz für eine Drohne

Um die Vorteile höherer Spannungen und leichterer Kabel nutzen zu können, müssen die Ingenieure Stromverteilungsnetze entwerfen, die die in den Seilen transportierten hohen Spannungen sicher und effizient auf die für die Systeme der Drohne erforderlichen Betriebsspannungen herunterregeln können.

Abbildung 2 zeigt ein Beispiel für ein solches Netz. Dieses Netz wird mit BCMs und ZVS-Abwärtswandlern von Vicor aufgebaut.

Abbildung 2: Ein Stromverteilungsnetz für eine kabelgebundene Drohne. Man beachte, wie der 48-Volt-Bus, der für bodengestützte Systeme verwendet wird, im Kabel auf 800 Volt hochgefahren und dann an der Drohne wieder auf 48 Volt reduziert wird. (Bildquelle: Vicor)

In diesem Beispiel wandelt ein BCM die dreiphasige 208-Volt-Wechselstromversorgung in 48 Volt Gleichstrom für die bodengestützten Computersysteme der Drohne um. ZVS-Abwärtswandler reduzieren die 48-Volt-Versorgung auf die 12, 5 und 3,3 Volt, die von den einzelnen bodengebundenen Geräten verwendet werden. Die 48-Volt-Gleichstromversorgung wird dann von einem zweiten BCM auf 800 Volt hochgefahren, um den Spannungsabfall und den Leistungsverlust im Kabel zu minimieren.

An der Drohne reduziert ein drittes BCM dann die Spannung wieder auf 48 Volt. Das Stromverteilungsnetz in der Drohne umfasst weitere Abwärtswandler, um Kameras, Sensoren und Logikgeräte mit den entsprechenden Spannungen zu versorgen.

Die empfohlenen BCMs für diese Anwendung sind das BCM4414VD1E5135C02 von Vicor für die anfängliche Umwandlung von 208 Volt AC in 48 Volt DC und das BCM4414VH0E5035M02 für die Umwandlung von 48 Volt DC in 800 Volt DC und zurück.

Das BCM4414VD1E5135C02 arbeitet mit einem 260- bis 400-Volt-Bus und bietet einen Low-Side-Ausgang von 32,5 bis 51,3 Volt. Der Baustein bietet bis zu 35 A kontinuierlichen Low-Side-Strom, bis zu 49 Watt pro Kubikzentimeter (W/cm³) Leistungsdichte und 97,7 Prozent Spitzenwirkungsgrad (Abbildung 3).

Abbildung 3: Die Buswandlermodule von Vicor weisen einen guten Wirkungsgrad über einen weiten Low-Side-Strombereich auf (T_CASE = 25˚C). (Bildquelle: Vicor)

Das BCM4414VH0E5035M02 wird an einem 500- bis 800-Volt-Bus betrieben und bietet einen Low-Side-Ausgang von 31,3 bis 50,0 Volt mit einer maximalen Dauerleistung von 1,5 kW. Kontinuierlicher Low-Side-Strom, Leistungsdichte und Spitzenwirkungsgrad sind identisch mit dem Schwesterprodukt. Das BCM kommt in einem 110,5 x 35,5 x 9,4 Millimeter (mm) großen Gehäuse und wiegt 145 Gramm (g).

Die BCMs von Vicor bieten außerdem flexible Wärmemanagementoptionen mit sehr niedrigen thermischen Impedanzen auf der Ober- und Unterseite. Durch die Verwendung der Komponenten kann der Entwickler des Stromversorgungssystems die Größe und das Gewicht des Kabelbaums, der Bodenversorgung und der Drohne reduzieren.

Die BCMs von Vicor sind DC-zu-DC-Stromversorgungen, so dass der anfängliche dreiphasige 208-Volt-Wechselstromeingang vor dem ersten BCM in Abbildung 2 in Gleichstrom umgewandelt werden muss. Ein geeignetes Bauteil für die AC-Gleichrichtung ist ein AC-Eingangsmodul (AIM) von Vicor wie das AIM1714VB6MC7D5C00 (Abbildung 4) Der AIM-Baustein kann einen 85- bis 264-Volt-Wechselstromeingang aufnehmen und einen gleichgerichteten Wechselstromausgang mit einem Strom von bis zu 5,3 A und einer Leistung von bis zu 450 Watt liefern.

Abbildung 4: Der BCM benötigt einen gleichgerichteten AC-Eingang. Ein Modul wie das dreiphasige AIM-Modul von Vicor bietet eine Lösung. (Bildquelle: Vicor)

Abwärtsregelung mit hoher Leistungsdichte und Flexibilität

Sobald das BCM in der Bodenstation oder der Drohne die Spannung auf 48 Volt DC geregelt hat, sind ZVS-Abwärtswandler erforderlich, um die Spannung für die Versorgungsleitungen zu den verschiedenen Systemen weiter herunterzuregeln. Insbesondere in der Drohne müssen die Abwärtswandler eine hohe Leistungsdichte aufweisen und so effizient sein, dass sie eine kompakte und leichte Stromversorgung bilden. Die ZVS-Abwärtsregler sind für diese Aufgabe gut geeignet.

Die Schaltverluste in herkömmlichen Spannungsregler-MOSFETs sind eine der Hauptquellen für Ineffizienz und wirken sich negativ auf die Leistungsdichte aus. ZVS behebt diese Verluste und ist ein besonderer Vorteil für Abwärtswandler, die mit einer relativ hohen Eingangsspannung arbeiten.

Der Mechanismus der ZVS (auch bekannt als „sanftes Schalten“) ist komplex, lässt sich aber am besten als konventionelle pulsweitenmodulierte (PWM) Leistungsumwandlung während der Einschaltzeit des MOSFETs definieren, jedoch mit „resonanten“ Schaltübergängen. Die Regelung der Ausgangsspannung erfolgt durch Anpassung des effektiven Tastverhältnisses (und damit der Einschaltdauer), indem die Wandlungsfrequenz des Schaltreglers verändert wird.

Während der Ausschaltzeit des ZVS-Schalters schwingt der L-C-Kreis des Reglers in Resonanz, wodurch die Spannung über dem Schalter von Null auf ihren Höchstwert ansteigt und wieder auf Null zurückgeht, wenn der Schalter wieder aktiviert werden kann. Dabei sind die Übergangsverluste der MOSFETs des Schaltreglers gleich Null - unabhängig von der Betriebsfrequenz und der Eingangsspannung - was zu erheblichen Leistungseinsparungen und einer erheblichen Verbesserung der Effizienz führt. (Siehe „Ein Überblick über die Nullspannungsschaltung und ihre Bedeutung für die Spannungsregelung“.)

Vicor stellt eine Reihe von ZVS-Abwärtsreglern her, die mit Steuerschaltungen, Leistungshalbleitern und unterstützenden Komponenten in hochkompakten LGA-, BGA- und SiP-Komponenten (System-in-Package) integriert sind. Die Spannungsschaltregler ergänzen die BCMs, die in anderen Teilen der Stromverteilungsschaltung der Drohne eingesetzt werden. Die ZVS-Abwärtsregler bieten eine gute Leistungsdichte und Flexibilität für eine hocheffiziente PoL-DC/DC-Regelung (PoL: Point-of-Load, Lastpunkt). Sie können verwendet werden, um den 48-Volt-Bus effizient auf 3,3, 5 und 12 Volt für die anderen Subsysteme der Drohne herunterzuregeln.

Beispiele für ZVS-Abwärtsregler sind die Komponenten der Familie PI352x-00. Die PI352x-00-Regler benötigen nur eine externe Induktivität, zwei Spannungswahlwiderstände und eine minimale Anzahl von Kondensatoren, um einen kompletten DC/DC-Abwärtsschaltregler zu bilden. Alle Regler arbeiten mit einer Eingangsspannung von 30 bis 60 Volt. Es gibt drei Komponenten in der Familie: den PI3523-00, der einen Nennausgang von 3,3 Volt (2,2 bis 4 Volt) und bis zu 22 A liefert; den PI3525-00, der einen Nennausgang von 5,0 Volt (4 bis 6,5 Volt) und bis zu 20 A liefert; und den PI3526-00, der einen Nennausgang von 12 Volt (6,5 bis 14 Volt) und bis zu 18 A liefert. Die Geräte werden in einem LGA-SiP mit den Abmessungen 10 x 14 x 2,56 mm geliefert.

Hinzufügen von ZVS-Reglern zum Netz mit hoher Leistungsdichte

Um die Leistung der ZVS-Abwärtsregler im Stromverteilungsnetz der Drohnen zu optimieren, sind einige Konstruktionsarbeiten erforderlich. Abbildung 5 zeigt die externen Komponenten, die für jedes Mitglied der Familie PI352x-00 erforderlich sind.

Abbildung 5: Der ZVS-Abwärtsregler von Vicor benötigt eine externe Induktivität, ein Widerstandsteiler-Netzwerk zur Einstellung der Ausgangsspannung sowie Kondensatoren zur Filterung. (Bildquelle: Vicor)

Die Komponenten benötigen jeweils eine externe Drossel. Vicor hat den Induktivitätswert für den Energiespeicher berechnet, um die Effizienz zu maximieren. Für die Regler PI3523 und PI3525 wird eine Induktivität von 230 Nanohenry (nH) empfohlen, während für den P13526 eine Induktivität von 480 nH empfohlen wird.

Während jedes Mitglied der PI352x-00-Familie den 48-Volt-Gleichstromeingang vom jeweiligen BCM direkt verarbeiten kann (der Eingangsbereich für die Abwärtsregler beträgt 30 bis 60 Volt Gleichstrom), erfordert die Einstellung der Ausgangsspannung die Auswahl der Ausgangswiderstände REA1 und REA2, die zusammen ein Widerstandsteiler-Netzwerk bilden.

Unabhängig von der Ausgangsspannung sollte REA2 auf 1 Kiloohm (kΩ) eingestellt werden, um eine optimale Störfestigkeit zu erreichen. Der Wert von REA1 kann dann anhand der folgenden Formel berechnet werden:

Zusätzlich zu den Induktivitätswerten empfiehlt Vicor auch Werte für die C_IN- und C_OUT-Kondensatoren, um eine ordnungsgemäße Anlauf- und Hochfrequenz-Entkopplung für die Endstufe zu gewährleisten. Die Familie PI352x-00 zieht fast den gesamten Hochfrequenzstrom aus den niederohmigen Keramikkondensatoren, wenn die High-Side-MOSFETs leitend sind. In der Zeit, in der die MOSFETs ausgeschaltet sind, werden die Kondensatoren von der Quelle wieder geladen. In Tabelle 1 sind die Kondensatorwerte und die sich daraus ergebenden Brummströme und Spannungen aufgeführt.

Tabelle 1: Empfohlene Werte für die Eingangs- und Ausgangskondensatoren der P1352x von Vicor bei nominaler Netzspannung und nominaler Trimmung. (Tabellenquelle: Vicor)

Um einen optimalen Wirkungsgrad und geringe elektromagnetische Interferenzen (EMI) mit der Familie PI352x-00 zu gewährleisten, sind minimale Leiterbahnwiderstände und Hochstromschleifenrückführungen zusammen mit der richtigen Platzierung der Komponenten unerlässlich. Abbildung 6 zeigt das empfohlene Layout für den Regler und die externen Komponenten. Dies ist das Layout, das vom PI352x-00-Evaluierungsboard PI3526-00-EVAL1 übernommen wurde.

Abbildung 6: Optimales Layout für den ZVS-Regler von Vicor, die Induktivität sowie die Eingangs- und Ausgangskondensatoren. (Bildquelle: Vicor)

Die blaue Schleife in Abbildung 6 zeigt den engen Pfad zwischen den Eingangs- und Ausgangskondensatoren (und V_IN und V_OUT) für den hohen AC-Rückstrom des Reglers, der die Effizienz unterstützt.

Fazit

Um die Reichweite und Belastbarkeit von Drohnen zu optimieren, haben die Ingenieure leichte Hochspannungskabel entwickelt. Diese minimieren die Verlustleistung und den Spannungsabfall in den Kabeln. Allerdings müssen die hohen Spannungen der Kabel sicher und effizient auf Busspannungen geregelt und dann weiter auf die von den elektronischen Systemen der Drohne benötigten Versorgungsspannungen reduziert werden.

BCMs mit hoher Leistungsdichte und Effizienz von Vicor bieten eine einfach zu implementierende Lösung zur Reduzierung und Verstärkung der Spannungen zwischen Bodenstation, Kabel und Drohne. Die BCMs werden durch ZVS-Abwärtswandler mit geringen Schaltverlusten ergänzt, die einen Wirkungsgrad von 97 Prozent bieten, wenn sie die Busspannung auf die für die verschiedenen Subsysteme der Drohne benötigten 3,3, 5 und 12 Volt herunterregeln.