面向大型無人機的一種高頻大功率模塊電源設計

陶壯壯

（河南工業和信息化職業學院，河南 焦作 454000）

0 引 言

隨著無人機供電技術的快速進步，無人機也正朝著更穩定的方向發展，例如更輕型化、更小型化、續航能力更持久等，同時人們也對無人機提出了更高的要求[1]。目前無人機的供電電源設計已經趨于成熟，但是大型無人機的體型較大，在很大程度上影響了無人機的使用壽命和飛行續航能力等。基于此，設計一款體積小、高頻率的電源模塊作為大型無人機的電源裝置。

1 電路原理

一般情況下，大型無人機的電源變換器都采用隔離型的全橋電路，該結構主要包括變換電路（詳見圖1），高頻變壓器、輸出整流濾波電路、控制電路及輔助電源等（電路運作詳見圖2）。為了更有效地提高電源工作的效率，并減小大型無人機的體積，設計了全橋移相電路。

圖1 全橋移相電路原理

圖2 控制電路示意圖

U1和U2構成了橋臂進行互補，U3和U4構成了橋臂進行互補。由于U1、U2的驅動信號超前U3和U4，因此將U1和U2視為超前臂，將U3和U4視為滯后臂，通過全橋移相來控制電源變壓器，進而有效調節電壓[2]。利用全橋移相電路原理實現電壓開關的控制，以不同周期為例進行闡述。

周期1：U1和U4處于導通狀態，U2和U3處于截止狀態，以變壓器為主控制兩端的電源，然后導通二極管，截止D2，增大電流線，從而將電流轉移到負載。

周期2：U1截止后，電流線圈中的電流不會發生變化，仍然可以維持原有的方向。在超前臂下并聯C1和C2來進行持續放電，與等效電流感應后快速降低左臂的電壓，對D1電壓進行導通，隨后關閉D2[3]。

周期3：結束震動之后，C1和C2完成放電。當U2的電流持續向D2流通時，則需要關閉D2。

周期4：U4截止后，將C3和C4進行放電。當D2開始導通后，連帶著D1也開始導通，電壓器的電壓降低，切斷原邊的電感線流之后，讓C3和C4持續放電。

周期5：結束滯后臂震動之后，U3內的二極管持續導通，為電壓的開通提供便利[4]。

周期6：開通U3的零電壓后，此時已經導通的U2和U3的電流迅速減小到0，U2和U3持續關斷，由此形成一個新的供電電路。

2 電源設計

借助新材料、新器件、新結構以及新工藝不斷優化和改進全橋移相變換器下的大型無人機，設計出具有更高性能的電源，有效提高電源系統的工作效率。

2.1 前級AC/DC部分

采用A路、B路、C路以及D路等交錯的方式來控制無人機電源的電路，讓無人機具備較高的兼容性。對輸入的電流、電壓進行濾波處理，降低電路損耗。在傳統的無人機電源電路中，電路輸入的電流和電壓較大，適用功率較小[5]。大型無人機的電源設計方案中，前級AC/DC部分的結構如圖3所示。

圖3 AC/DC結構

全面整合電流之后，電壓最小可達到280 V，但是由于電路在工作中時刻處于變化的狀態，因此當電壓小于280 V后則無法用開關來控制電路。在無人機的電源電路中，采用分段處理的方式能夠有效避免電壓和電流范圍發生波動。通過穩定電壓和電流，有效提高無人機電源系統的穩定性[6]。在常規電路下，為了解決各支路的均流問題，還需要采用電流控制的原理在并聯的工作線路中加入多個控制環節，這樣一來能夠更好地控制電流和電壓，也更容易實施對支路線路的補償和調整。當各支路電路的電壓和電流相互制衡后，則能夠減少開關對電源的作用力。

2.2 后級DC/DC部分

常規電壓和電流進行變換時，對前級輸入交流電壓，分段處理輸入電壓，將前級輸出電壓控制在300～450 V。為了進一步減小全橋移相變壓器的電壓和電流的應力，可以實施如圖4所示的結構。將變壓器的兩端先串聯起來，然后再并聯，變壓器經過全程的整流濾波之后并聯在一起能夠更好地工作[7]。

圖4 DC/DC結構

3 樣機實驗及維護要點

3.1 樣機實驗

根據以上分析，設計了一臺額定輸入電壓為400 V、額定輸出電壓為28 V、額定功率為1 kW的大型無人機樣機。經過實驗，在飛行過程中輕載開關并沒有實現零電壓開關（Zero Voltage Switch，ZVS），而滿載開關則實現了ZVS，飛行效率較高。由于輕載開關沒有電壓軟件開關，因此導致開關部分的功率損耗較大，而工作效率更是存在開始低、中間高、結尾低的情況[8]。

3.2 樣機維護

在大型無人機的維護階段，維護開始時需要將無人機的負載狀態切換到維護狀態，先停止逆變器的工作，然后解鎖維護開關，以此將無人機的不間斷電源（Uninterruptible Power System，UPS）轉移到無人機的維修旁路，之后再開啟無人機的主機維護[9,10]。當無人機的電壓容量較大時，在運行過程中必須要加強對主機的檢測，主要檢測主機設備的溫度和散熱情況。在主機工作狀態下，當溫度達到30 ℃后，隨機啟用無人機的散熱風扇；當溫度達到50 ℃后，高級散熱風扇啟動并進行報警。

4 結 論

通過詳細分析了全橋移相變換器的工作原理，在此基礎上制作了高頻率大功率的電源樣機。實驗結果表明，設計出來的全橋移相變換器作為電源應用到大型無人機中具有工作效率高、體積小等優點，可以在無人機領域進行有效應用。