Concevoir des réseaux d'alimentation modulaires efficaces pour UAV captifs

Les véhicules aériens sans pilote (UAV) ou drones sont de plus en plus utilisés pour des applications à usage intensif telles que la reconnaissance terrestre pour les domaines militaires, agricoles et de lutte contre les incendies. Ces cas d'utilisation, et bien d'autres, exigent que le drone vole pendant de longues périodes, et les batteries ne sont donc pas une option. En lieu et place, le drone est alimenté en électricité par un câble captif pendant toute la durée de son vol.

Cependant, ces câbles captifs posent de nouveaux défis. Un câble captif plus épais offre une résistance électrique plus faible mais impose une charge plus importante au drone, ce qui limite sa capacité de charge. Les câbles fins augmentent la résistance électrique, ce qui entraîne une dissipation de puissance et une chute de tension inacceptables sur les grandes longueurs typiques des câbles captifs des drones. Les ingénieurs cherchent à surmonter les pertes associées aux câbles plus fins en augmentant la tension du câble captif jusqu'à 800 volts (V). Une telle augmentation permet de réduire le courant pour une exigence de puissance donnée.

Le défi consiste alors à gérer la haute tension dans le drone. Le réseau de distribution d'alimentation du drone doit être capable d'accepter la haute tension et de la réduire efficacement aux tensions inférieures requises par les systèmes du drone. Toute solution de gestion de l'alimentation doit être légère et compacte afin de minimiser l'impact sur la capacité de charge du véhicule.

Cet article traite des avantages des systèmes d'alimentation haute tension pour les drones captifs. Il explique ensuite pourquoi les modules de convertisseurs de bus (BCM) à haute densité de puissance et haut rendement et les convertisseurs abaisseurs de tension à commutation au zéro de la tension (ZVS) constituent une bonne option lors de la conception de réseaux de distribution d'alimentation pour les applications de drones captifs. Des exemples de modules BCM et de convertisseurs abaisseurs ZVS de Vicor sont présentés et utilisés pour montrer comment concevoir un réseau d'alimentation léger mais efficace.

Des tensions plus élevées permettent des câbles plus légers

Les câbles captifs libèrent les concepteurs des restrictions que les batteries imposent aux drones (Figure 1). Les drones peuvent rester en l'air pendant de longues périodes, à condition que l'alimentation au sol soit disponible, ce qui leur permet de fonctionner dans des applications telles que les plateformes d'observation ou les relais radio transhorizon. L'inconvénient est que le drone doit tirer un câble potentiellement lourd en hauteur, ce qui peut limiter à la fois sa portée opérationnelle et sa capacité à transporter des charges utiles telles que des caméras ou des équipements radio.

Figure 1 : Les drones peuvent rester en l'air pendant de longues périodes grâce à l'alimentation fournie par un câble captif. (Source de l'image : Vicor)

Les drones commerciaux requièrent diverses tensions CC pour leurs différents systèmes. Par exemple, une valeur de 48 V est fréquente pour les moteurs, tandis que des valeurs de 12 V, 5 V et 3,3 V sont typiques des capteurs, des actionneurs et de l'électronique de commande. Des câbles captifs fins et légers permettent de limiter le poids du drone, mais leur résistance plus élevée (la résistance augmente à mesure que la section transversale du câble diminue) peut entraîner une chute de tension inacceptable (définie comme une chute de tension supérieure à 3 à 5 % de la tension source à l'extrémité du câble) et une dissipation de puissance sur de grandes longueurs de câbles lors de l'utilisation d'une alimentation de 48 V.

La chute de tension et la dissipation de puissance du câble sont proportionnelles au courant qu'il transporte plutôt qu'à la tension. Ainsi, par exemple, un drone commercial exigeant une puissance constante de 1,5 kilowatts (kW) alimenté par une alimentation de 48 V aura besoin d'un courant de 1500/48 = 31,25 ampères (A). Une puissance identique peut être fournie en augmentant la tension, ce qui réduit le besoin en courant et, par conséquent, la chute de tension et la dissipation de puissance. Par exemple, l'utilisation d'une alimentation de 800 V requiert un courant de seulement 1500/800 = 1,9 A. Une telle alimentation permet au concepteur d'utiliser en toute sécurité un câble léger.

Un réseau de distribution d'alimentation pour un drone

Pour tirer parti d'alimentations à plus haute tension et de câbles captifs plus légers, les ingénieurs doivent concevoir des réseaux de distribution d'alimentation capables d'abaisser efficacement et en toute sécurité les hautes tensions transportées par le câble captif aux tensions de fonctionnement nécessaires aux systèmes du drone.

La Figure 2 montre un exemple d'un tel réseau. Ce réseau utilise des modules BCM et des convertisseurs abaisseurs ZVS de Vicor.

Figure 2 : Réseau de distribution d'alimentation pour un drone captif. Notez comment le bus de 48 V utilisé pour les systèmes au sol est porté à 800 V dans le câble captif, puis ramené à 48 V au niveau du drone. (Source de l'image : Vicor)

Dans cet exemple, un module BCM convertit l'alimentation triphasée de 208 VCA en 48 VCC pour les systèmes informatiques au sol du drone. Les convertisseurs abaisseurs ZVS réduisent l'alimentation de 48 V aux 12 V, 5 V et 3,3 V utilisés par les différents dispositifs au sol. L'alimentation de 48 VCC est ensuite portée à 800 V par un deuxième module BCM afin de minimiser les chutes de tension et les pertes de puissance dans le câble captif.

Au niveau du drone, un troisième module BCM réduit alors la tension à 48 V. Le réseau de distribution d'alimentation dans le drone inclut d'autres convertisseurs abaisseurs pour alimenter les caméras, les capteurs et les dispositifs logiques avec les tensions appropriées.

Les modules BCM suggérés pour cette application sont le BCM4414VD1E5135C02 de Vicor pour la conversion initiale de 208 VCA à 48 VCC, et le BCM4414VH0E5035M02 pour la conversion de 48 VCC à 800 VCC et inversement.

Le BCM4414VD1E5135C02 fonctionne sur un bus de 260 V à 400 V et offre une sortie bas potentiel de 32,5 V à 51,3 V. Le dispositif offre un courant bas potentiel continu jusqu'à 35 A, une densité de puissance atteignant 49 watts par centimètre cube (W/cm³) et un rendement de crête de 97,7 % (Figure 3).

Figure 3 : Les modules de convertisseurs de bus de Vicor présentent un bon rendement sur une large plage de courant bas potentiel (T_CASE = 25°C). (Source de l'image : Vicor)

Le BCM4414VH0E5035M02 fonctionne sur un bus de 500 V à 800 V et offre une sortie bas potentiel de 31,3 V à 50,0 V, avec une sortie de puissance continue maximum de 1,5 kW. Le courant bas potentiel continu, la densité de puissance et le rendement de crête sont identiques à ceux de son produit associé. Le module BCM est fourni en boîtier de 110,5 millimètres (mm) x 35,5 mm x 9,4 mm et pèse 145 grammes (g).

Les modules BCM de Vicor offrent également des options de gestion thermique flexibles avec des impédances thermiques côtés supérieur et inférieur très faibles. En utilisant ces dispositifs, le concepteur du système d'alimentation est en mesure de réduire la taille et le poids du câble captif, ainsi que de l'alimentation au sol et du drone.

Les modules BCM de Vicor sont des alimentations CC/CC, donc l'entrée triphasée initiale de 208 VCA doit être convertie en courant continu avant le premier module BCM de la Figure 2. Un dispositif approprié pour le redressement CA est un module d'entrée CA (AIM) de Vicor tel que l'AIM1714VB6MC7D5C00 (Figure 4). Le dispositif AIM peut accepter une entrée de 85 à 264 VCA et fournir une sortie CA redressée avec un courant jusqu'à 5,3 A et une puissance jusqu'à 450 W.

Figure 4 : Le module BCM requiert une entrée CA redressée. Un dispositif tel que le module AIM triphasé de Vicor offre une solution. (Source de l'image : Vicor)

Régulation de type abaisseur avec haute densité de puissance et haute flexibilité

Une fois que le module BCM de la station au sol ou du drone a régulé la tension à 48 VCC, des convertisseurs abaisseurs ZVS sont nécessaires pour abaisser davantage la tension des lignes d'alimentation pour les différents systèmes. Dans le drone en particulier, les convertisseurs abaisseurs doivent présenter une haute densité de puissance et un haut rendement de manière à former une alimentation compacte et légère. Les régulateurs abaisseurs ZVS sont parfaitement adaptés à cette tâche.

Les pertes de commutation dans les MOSFET des régulateurs de tension classiques sont l'une des principales sources d'inefficacité et ont un impact négatif sur la densité de puissance. Le système ZVS remédie à ces pertes et est particulièrement avantageux pour les convertisseurs abaisseurs fonctionnant avec une tension d'entrée relativement élevée.

Le mécanisme ZVS (également connu sous le nom de « commutation douce ») est complexe mais peut être défini comme une conversion de puissance à modulation de largeur d'impulsion (PWM) conventionnelle pendant le temps d'activation du MOSFET, mais avec des transitions de commutation « résonantes ». La régulation de la tension de sortie repose sur l'ajustement du rapport cyclique effectif (et par conséquent, du délai d'activation), en variant la fréquence de conversion du régulateur à découpage.

Pendant le délai de désactivation du commutateur ZVS, le circuit L-C du régulateur résonne, faisant circuler la tension dans le commutateur de zéro à la valeur de crête, puis à nouveau à zéro lorsque le commutateur peut être réactivé. Dans ce processus, les pertes de transition des MOSFET du régulateur à découpage sont nulles — quelles que soient la fréquence de fonctionnement et la tension d'entrée — ce qui représente des économies d'énergie significatives et une amélioration substantielle du rendement. (Voir l'article Un aperçu de la commutation au zéro de la tension et de son importance pour la régulation de la tension.)

Vicor produit une gamme de régulateurs abaisseurs ZVS intégrés avec des circuits de commande, des semi-conducteurs de puissance et des composants de support dans des dispositifs SiP (système en boîtier), BGA et LGA haute densité. Les régulateurs de tension à découpage complètent les modules BCM utilisés dans d'autres parties du circuit de distribution d'alimentation du drone. Les régulateurs abaisseurs ZVS offrent une densité de puissance et une flexibilité correctes pour la régulation CC/CC PoL (point de charge) à haut rendement. Ils peuvent être utilisés pour abaisser efficacement le bus de 48 V à 3,3 V, 5 V et 12 V pour les autres sous-systèmes du drone.

La gamme PI352x-00 est un exemple de régulateur abaisseur ZVS. Les régulateurs PI352x-00 ne requièrent qu'une inductance externe, deux résistances de sélection de tension et un nombre minimal de condensateurs pour former un régulateur abaisseur à découpage CC/CC complet. Tous les régulateurs fonctionnent avec une entrée de 30 V à 60 V. La gamme comprend trois dispositifs : le PI3523-00, qui fournit une sortie nominale de 3,3 V (plage de 2,2 V à 4 V) et jusqu'à 22 A ; le PI3525-00, qui fournit une sortie nominale de 5,0 V (plage de 4 V à 6,5 V) et jusqu'à 20 A ; et le PI3526-00, qui fournit une sortie nominale de 12 V (plage de 6,5 V à 14 V) et jusqu'à 18 A. Les dispositifs sont fournis dans un SiP LGA mesurant 10 mm x 14 mm x 2,56 mm.

Ajout de régulateurs ZVS au réseau de densité de puissance

Certains travaux de conception sont nécessaires pour optimiser les performances des régulateurs abaisseurs ZVS dans le réseau de distribution d'alimentation des drones. La Figure 5 présente les composants externes requis pour chaque membre de la gamme PI352x-00.

Figure 5 : Le régulateur abaisseur ZVS de Vicor requiert une inductance externe, un réseau de diviseurs à résistances pour ajuster la tension de sortie, et des condensateurs pour le filtrage. (Source de l'image : Vicor)

Ces dispositifs nécessitent chacun une inductance externe. Vicor a calculé la valeur d'inductance pour le dispositif de stockage d'énergie afin de maximiser le rendement. Pour les régulateurs PI3523 et PI3525, une inductance de 230 nanohenrys (nH) est recommandée, tandis qu'une inductance de 480 nH est recommandée pour une utilisation avec le P13526.

Bien que chaque membre de la gamme PI352x-00 puisse gérer directement l'entrée de 48 VCC du module BCM respectif (la plage d'entrée pour les régulateurs abaisseurs est de 30 à 60 VCC), le réglage de la tension de sortie exige la sélection de résistances de sortie — REA1 et REA2 — qui forment ensemble un réseau de diviseurs à résistances.

Quelle que soit la tension de sortie, REA2 doit être défini sur 1 kilohm (kΩ) pour obtenir la meilleure immunité au bruit. La valeur de REA1 peut alors être calculée à partir de la formule suivante :

En plus des valeurs d'inductances, Vicor recommande également des valeurs pour les condensateurs C_IN et C_OUT afin de garantir un démarrage correct et un découplage haute fréquence pour l'étage de puissance. La gamme PI352x-00 absorbe presque tout le courant haute fréquence de ses condensateurs en céramique à faible impédance lorsque les principaux MOSFET haut potentiel sont conducteurs. Ensuite, pendant la période où les MOSFET sont désactivés, les condensateurs sont réapprovisionnés par la source. Le Tableau 1 répertorie les valeurs des condensateurs ainsi que les tensions et les courants ondulés résultants.

Tableau 1 : Valeurs recommandées pour les condensateurs d'entrée et de sortie P1352x de Vicor à la tension de ligne nominale et à la compensation nominale. (Source du tableau : Vicor)

Pour garantir un rendement optimal et de faibles interférences électromagnétiques (EMI) avec la gamme PI352x-00, une résistance de piste minimale et des retours de boucle de fort courant, associés à un placement correct des composants, sont essentiels. La Figure 6 montre la disposition recommandée pour le régulateur et les composants externes. Il s'agit de la disposition adoptée par la carte d'évaluation PI3526-00-EVAL1 du PI352x-00.

Figure 6 : Disposition optimale pour le régulateur ZVS de Vicor, l'inductance et les condensateurs d'entrée et de sortie. (Source de l'image : Vicor)

La boucle bleue dans la Figure 6 indique le chemin étroit entre les condensateurs d'entrée et de sortie (et V_IN et V_OUT) pour le courant de retour CA élevé du régulateur, ce qui favorise le rendement.

Conclusion

Pour optimiser la portée et la capacité de charge des drones, les ingénieurs se sont tournés vers les câbles captifs haute tension. Ceux-ci minimisent la dissipation de puissance et la chute de tension dans les câbles. Cependant, les hautes tensions des câbles captifs doivent être régulées de manière sûre et efficace jusqu'aux tensions de bus, puis réduites aux tensions d'alimentation requises par les systèmes électroniques du drone.

Les modules BCM haut rendement et à haute densité de puissance de Vicor constituent une solution facile à mettre en œuvre pour abaisser et élever les tensions entre la station au sol, le câble captif et le drone. Les modules BCM sont complétés par des convertisseurs abaisseurs ZVS à faibles pertes de commutation, qui offrent un rendement de 97 % lorsque la tension de bus est abaissée aux 3,3 V, 5 V et 12 V nécessaires aux différents sous-systèmes du drone.