Come progettare reti modulari efficienti per la fornitura di energia agli APR collegati

Gli aeromobili a pilotaggio remoto (APR) o "droni" sono sempre più utilizzati per applicazioni d'uso intensivo come la ricognizione a terra a scopo militare, di lotta agli incendi e agricolo. Questi e molti altri casi d'uso richiedono che il drone sia in volo per lunghi periodi, quindi le batterie non sono un'opzione affidabile. Il drone viene invece alimentato tramite un cavo collegato per tutta la durata del volo.

Tuttavia, i collegamenti introducono nuove sfide. Un cavo più spesso offre una minore resistenza elettrica, ma comporta un carico maggiore sul drone, limitandone la capacità di trasporto. I cavi sottili aumentano la resistenza elettrica, causando una dissipazione di potenza e una caduta di tensione inaccettabili sulle lunghezze tipiche dei collegamenti dei droni. Gli ingegneri stanno cercando di superare le perdite associate a cavi più sottili aumentando la tensione del collegamento fino a 800 V. Questo aumento contribuisce a ridurre la corrente per un determinato requisito di potenza.

La sfida diventa quindi la gestione dell'alta tensione nel drone. La rete di distribuzione dell'energia elettrica del drone deve essere in grado di assorbire l'alta tensione e di ridurla in modo efficiente alle tensioni più basse richieste dai sistemi dell'APR. Qualsiasi soluzione di gestione dell'alimentazione deve essere leggera e compatta per ridurre al minimo l'impatto sulla capacità di carico del veicolo.

Questo articolo illustra i vantaggi dei sistemi di alimentazione ad alta tensione per i droni collegati. Spiega perché i moduli convertitori bus (BCM) ad alta efficienza e ad alta densità di potenza e i convertitori di tensione step-down ("buck") a commutazione di tensione zero (ZVS) sono una buona opzione quando si progettano reti di distribuzione dell'energia elettrica per APR collegati. Gli esempi di BCM e di convertitori buck ZVS di Vicor presentati mostrano come progettare una rete elettrica leggera ma efficiente.

Tensioni più elevate e cavi più leggeri

I collegamenti liberano i progettisti dalle restrizioni imposte dalle batterie ai droni (Figura 1). Gli APR possono rimanere in volo per lunghi periodi, a condizione che sia disponibile l'alimentazione a terra, e questo permette loro di operare in applicazioni come piattaforme di osservazione o relè radio oltre orizzonte. Lo svantaggio è che il drone deve issare e portare con sé un cavo potenzialmente pesante, il che può limitare sia il suo raggio d'azione sia la capacità di trasporto di carichi utili come telecamere o apparecchiature radio.

Figura 1: I droni possono rimanere in volo per lunghi periodi utilizzando l'energia erogata da un cavo. (Immagine per gentile concessione di Vicor)

I droni commerciali richiedono diverse tensioni c.c. per i vari sistemi. Ad esempio, 48 V sono comuni per i motori, mentre 12, 5 e 3,3 V sono tipici per sensori, attuatori ed elettronica di comando. I collegamenti sottili e leggeri aiutano a limitare il carico di peso sul drone, ma la maggiore resistenza del cavo (la resistenza aumenta al diminuire della sezione trasversale del cavo) può causare una caduta di tensione inaccettabile (definita come una caduta di tensione superiore al 3-5% della tensione di sorgente all'estremità del cavo) e una dissipazione di potenza su lunghe tratte del cavo quando si utilizza un'alimentazione a 48 V.

La caduta di tensione e la dissipazione di potenza del cavo sono proporzionali alla corrente trasportata e non alla tensione. Quindi, ad esempio, un drone commerciale che richiede una potenza costante di 1,5 kW alimentato da una rete a 48 V richiederà una corrente di 1500/48 = 31,25 A. La stessa potenza può essere fornita aumentando la tensione, riducendo così il requisito di corrente e, di conseguenza, la caduta di tensione e la dissipazione di potenza. Ad esempio, l'utilizzo di un'alimentazione a 800 V richiede una corrente di soli 1500/800 = 1,9 A. Tale alimentazione consente al progettista di utilizzare in modo sicuro un cavo leggero.

Una rete di distribuzione dell'energia elettrica per un drone

Per sfruttare alimentazioni a tensione più elevata e collegamenti più leggeri, gli ingegneri devono progettare reti di distribuzione dell'energia elettrica in grado di ridurre in modo sicuro ed efficiente le alte tensioni trasportate dal collegamento alle tensioni di lavoro necessarie per i sistemi del drone.

La Figura 2 mostra un esempio di rete di questo tipo. Questa rete è realizzata con BCM e convertitori buck ZVS di Vicor.

Figura 2: Rete di distribuzione dell'energia elettrica per un drone collegato. Si noti che il bus a 48 V utilizzato per i sistemi a terra è potenziato a 800 V nel collegamento e poi ridotto a 48 V sul drone. (Immagine per gentile concessione di Vicor)

In questo esempio, un BCM converte l'alimentazione trifase a 208 V c.a. a 48 V c.c. per i sistemi informatici a terra del drone. I convertitori buck ZVS riducono l'alimentazione a 48 V ai 12, 5 e 3,3 V utilizzati dai singoli dispositivi a terra. L'alimentazione a 48 V c.c. viene poi aumentata da un secondo BCM a 800 V per ridurre al minimo le cadute di tensione e le perdite di energia nel collegamento.

Sul drone, un terzo BCM riduce la tensione a 48 V. La rete di distribuzione dell'energia elettrica nel drone comprende altri convertitori buck per alimentare telecamere, sensori e dispositivi logici con le tensioni appropriate.

I BCM consigliati per questa applicazione sono BCM4414VD1E5135C02 di Vicor per la conversione iniziale da 208 V c.a. a 48 V c.c. e BCM4414VH0E5035M02 per la conversione da 48 V c.c. a 800 V c.c. e viceversa.

BCM4414VD1E5135C02 funziona con un bus da 260 a 400 V e offre un'uscita low-side da 32,5 a 51,3 V. Il dispositivo offre fino a 35 A di corrente continua low-side, fino a 49 W/cm³ di densità di potenza e il 97,7% di massimo rendimento (Figura 3).

Figura 3: I moduli convertitori bus di Vicor presentano una buona efficienza in un ampio intervallo di corrente low-side (T_CASE = 25 °C). (Immagine per gentile concessione di Vicor)

BCM4414VH0E5035M02 funziona con un bus da 500 a 800 V e offre un'uscita low-side da 31,3 a 50,0 V, con una potenza continua massima di 1,5 kW. La corrente continua low-side, la densità di potenza e il massimo rendimento sono identici a quelle del prodotto gemello. Il BCM è alloggiato in un involucro di 110,5 x 35,5 x 9,4 mm e pesa 145 g.

I BCM di Vicor offrono anche opzioni flessibili di gestione termica con impedenze termiche molto basse sul lato superiore e inferiore. Utilizzando i dispositivi, il progettista di un sistema di alimentazione è in grado di ridurre le dimensioni e il peso del collegamento, dell'alimentazione a terra e del drone.

I BCM di Vicor sono alimentatori c.c./c.c., quindi l'ingresso trifase iniziale a 208 V c.a. deve essere convertito in c.c. prima del primo BCM nella Figura 2. Un dispositivo adatto per il raddrizzamento c.a. è un modulo di ingresso c.a. (AIM) di Vicor, come AIM1714VB6MC7D5C00 (Figura 4). Il dispositivo AIM può accettare un ingresso c.a. da 85 a 264 V e fornire un'uscita c.a. raddrizzata con una corrente fino a 5,3 A e una potenza fino a 450 W.

Figura 4: Il BCM richiede un ingresso c.a. raddrizzato. Un dispositivo come il modulo AIM trifase di Vicor è un'ottima soluzione. (Immagine per gentile concessione di Vicor)

Regolazione buck con elevata densità di potenza e flessibilità

Una volta che il BCM della stazione di terra o del drone ha regolato la tensione a 48 V c.c., i convertitori buck ZVS devono ridurre ulteriormente la tensione per le linee di alimentazione dei vari sistemi. In particolare nei droni, i convertitori buck devono essere caratterizzati da un'elevata densità di potenza e da un'efficienza tale da costituire un alimentatore compatto e leggero. I regolatori buck ZVS sono adatti a questo compito.

Le perdite di commutazione nei MOSFET dei regolatori di tensione convenzionali sono un punto critico di inefficienza e hanno un impatto negativo sulla densità di potenza. La topologia ZVS affronta queste perdite e rappresenta un vantaggio soprattutto per i convertitori buck che funzionano con una tensione di ingresso relativamente alta.

Il meccanismo di ZVS (anche detto "soft-switching") è complesso, ma può essere meglio definito come una convenzionale conversione di potenza con modulazione della larghezza di impulso (PWM) durante il tempo di servizio del MOSFET, ma con transizioni di commutazione "risonanti". La regolazione della tensione di uscita si ottiene regolando il ciclo di lavoro effettivo (e quindi il tempo di servizio), tramite la variazione della frequenza di conversione del regolatore a commutazione.

Durante il tempo fuori servizio dello switch ZVS, il circuito L-C del regolatore risuona quando attraversa la tensione nello switch da zero al valore massimo e nel ritorno di nuovo a zero quando lo switch può essere riattivato. Nel processo, le perdite di transizione dei MOSFET del regolatore di commutazione sono pari a zero, a prescindere dalla frequenza operativa e dalla tensione di ingresso, con un notevole risparmio di energia e un sostanziale miglioramento dell'efficienza. (Vedere "Un'analisi della commutazione a tensione zero e della sua importanza per la regolazione della tensione".)

Vicor produce una gamma di regolatori buck ZVS integrati con circuiteria di controllo, semiconduttori di potenza e componenti di supporto in dispositivi LGA, BGA e System-in-Package (SiP) ad alta densità. I regolatori di tensione a commutazione integrano i BCM utilizzati in altre parti del circuito di distribuzione dell'alimentazione elettrica del drone. I regolatori buck ZVS offrono una buona densità di potenza e flessibilità per la regolazione c.c./c.c. del punto di carico (PoL) ad alta efficienza. Possono essere utilizzati per ridurre in modo efficiente il bus da 48 V a 3,3, 5 e 12 V per gli altri sottosistemi del drone.

Tra gli esempi di regolatori buck ZVS vi è la famiglia PI352x-00. I regolatori PI352x-00 richiedono solo un induttore esterno, due resistori di selezione della tensione e un numero minimo di condensatori per formare un regolatore buck c.c./c.c. a commutazione completo. Tutti i regolatori funzionano con un ingresso da 30 a 60 V. La famiglia comprende tre dispositivi: PI3523-00, che fornisce un'uscita nominale di 3,3 V (intervallo 2,2 ~ 4 V) e fino a 22 A; PI3525-00, che fornisce un'uscita nominale di 5,0 V (intervallo 4 ~ 6,5 V) e fino a 20 A; PI3526-00, che fornisce un'uscita nominale di 12 V (intervallo 6,5 ~ 14 V) e fino a 18 A. I dispositivi sono forniti in un SiP LGA di 10 x 14 x 2,56 mm.

Aggiunta di regolatori ZVS alla rete di densità di potenza

È necessario un certo sforzo di progettazione per ottimizzare le prestazioni dei regolatori buck ZVS in una rete di distribuzione dell'energia elettrica dei droni. La Figura 5 mostra i componenti esterni richiesti per ciascun membro della famiglia PI352x-00.

Figura 5: Il regolatore buck ZVS di Vicor richiede un induttore esterno, una rete di divisori resistivi per impostare la tensione di uscita e condensatori per il filtraggio. (Immagine per gentile concessione di Vicor)

Ciascun dispositivo richiede un induttore esterno. Per massimizzare l'efficienza Vicor ha calcolato il valore dell'induttanza del dispositivo di immagazzinaggio dell'energia. Per i regolatori PI3523 e PI3525 si consiglia un induttore da 230 nH, mentre per il modello P13526 si consiglia un induttore da 480 nH.

Mentre ogni membro della famiglia PI352x-00 è in grado di gestire direttamente l'ingresso a 48 V c.c. dal rispettivo BCM (l'intervallo di ingresso per i regolatori buck è compreso tra 30 e 60 V c.c.), l'impostazione della tensione di uscita richiede la selezione dei resistori di uscita – REA1 e REA2 – che insieme formano una rete di divisori resistivi.

A prescindere dalla tensione di uscita, REA2 deve essere impostato su 1 kΩ per la migliore immunità ai disturbi. Il valore di REA1 può quindi essere calcolato con la seguente formula:

Oltre ai valori degli induttori, Vicor raccomanda anche i valori dei condensatori C_IN e C_OUT per garantire un corretto avvio e un disaccoppiamento ad alta frequenza dello stadio di potenza. La famiglia PI352x-00 assorbe quasi tutta la corrente ad alta frequenza dai condensatori ceramici a bassa impedenza quando i principali MOSFET high-side sono in conduzione. Quindi, durante il periodo in cui i MOSFET sono spenti, i condensatori vengono riforniti dalla fonte. La Tabella 1 elenca i valori dei condensatori e le correnti e le tensioni di ripple risultanti.

Tabella 1: Valori consigliati per i condensatori di ingresso e di uscita di P1352x di Vicor alla tensione di linea nominale e alla regolazione nominale. (Tabella per gentile concessione di Vicor)

Per un'efficienza ottimale e basse interferenze elettromagnetiche (EMI) con la famiglia PI352x-00, è essenziale ridurre al minimo la resistenza delle tracce e i ritorni ciclici ad alta corrente, oltre a posizionare correttamente i componenti. La Figura 6 mostra il layout consigliato per il regolatore e i componenti esterni. Questo è il layout adottato dalla scheda di valutazione PI3526-00-EVAL1 PI352x-00.

Figura 6: Layout ottimale per il regolatore ZVS, l'induttore e i condensatori di ingresso e di uscita di Vicor. (Immagine per gentile concessione di Vicor)

L'anello blu nella Figura 6 indica il percorso stretto tra i condensatori di ingresso e di uscita (e V_IN e V_OUT) per l'elevata corrente di ritorno c.a. del regolatore, che favorisce l'efficienza.

Conclusione

Per ottimizzare il raggio d'azione e la capacità di carico dei droni, gli ingegneri si sono rivolti ai collegamenti ad alta tensione. Questi riducono al minimo la dissipazione di potenza e la caduta di tensione nei cavi. Tuttavia, le alte tensioni del collegamento devono essere regolate in modo sicuro ed efficiente fino alle tensioni del bus, per poi essere ulteriormente ridotte alle tensioni di alimentazione necessarie ai sistemi elettronici del drone.

I BCM di Vicor, ad alta densità di potenza ed efficienti, sono una soluzione facile da implementare per abbassare e aumentare le tensioni tra la stazione di terra, il collegamento e il drone. I BCM sono integrati da convertitori buck ZVS a basse perdite di commutazione, che offrono un'efficienza del 97% quando riducono la tensione del bus ai 3,3, 5 e 12 V necessari per i vari sottosistemi del drone.