테더 UAV를 위한 효율적인 모듈식 전력 전송망을 설계하는 방법

무인 항공기(UAV) 또는 '드론'은 군사, 소방, 농업을 위한 지상 정찰과 같은 고강도 응용 제품에서 사용이 증가하고 있습니다. 이를 포함한 여러 다른 사용 사례에서 드론이 공중에서 오랜 시간 동안 머무르도록 요구하고 있으므로 배터리는 선택 사항이 아닙니다. 대신, 드론은 비행 시간 동안 테 케이블을 통해 전력이 공급됩니다.

그러나 테더는 새로운 과제를 제기합니다. 테더가 두꺼울수록 전기 저항이 낮아지지만 드론에 인가되는 부하는 커지기 때문에 송전력을 제한합니다. 얇은 케이블은 전기 저항을 증가시켜 드론 테더의 긴 길이에 걸쳐 허용할 수 없는 전력 손실 및 전압 강하를 일으킵니다. 엔지니어는 테더 전압을 최대 800V까지 증가시켜 얇은 케이블로 인해 발생하는 손실을 처리해야 합니다. 이러한 테더 전압 증가는 지정된 전력 요구 사항에 대해 전류를 낮추는 데 도움이 됩니다.

그 다음 문제는 드론의 높은 전압을 처리하는 것입니다. 드론의 전력 배분망은 고전압을 취해 UAV의 시스템에서 필요로 하는 더 낮은 전압으로 효율적으로 강압시켜야 합니다. 전력 관리 솔루션은 드론의 내하력에 대한 영향을 최소화하도록 경량이고 콤팩트해야 합니다.

이 기사에서는 테더 드론을 위한 고전압 공급 시스템의 이점에 대해 논의합니다. 그런 다음 고효율 및 고전력밀도 버스 컨버터 모듈(BCM) 및 제로 전압 스위칭(ZVS) 강압('벅') 전압 컨버터는 테더 UAV 응용 제품을 위한 전력 배분망을 설계할 때 좋은 옵션입니다. Vicor의 BCM 및 ZVS 벅 컨버터를 예로 소개하고 경량이지만 효율적인 전력망을 설계하는 방법을 설명하는 데 사용합니다.

전압이 높을수록 가벼워지는 케이블

테더는 배터리가 드론에게 부과하는 제한 사항으로부터 설계자를 해방시킵니다(그림 1). 지상 기반 전력이 사용 가능하다고 간주할 경우 UAV는 비행 상태를 유지할 수 있으므로 관측 플랫폼 또는 초수평선 무선 계전기와 같은 응용 제품에서 작동할 수 있도록 합니다. 단점은 드론이 잠재적으로 무거운 케이블을 위로 들어 올려야 하므로 작동 범위와 카메라 또는 무선 장비와 같은 페이로드의 송전력이 모두 제한될 수 있다는 것입니다.

그림 1: 테더를 통해 공급되는 전력을 사용하여 드론이 오랫동안 공중에 떠 있을 수 있습니다. (이미지 출처: Vicor)

상업용 드론은 다양한 시스템에 맞는 여러 개의 DC 전압이 필요합니다. 예를 들어 48V는 모터용으로 일반적이고 12V, 5V, 3.3V는 센서, 액추에이터, 제어 전자 부품용으로 일반적입니다. 얇고 가벼운 테더는 드론에 인가되는 중량 부하를 제한하는 데 도움이 되지만 48V 공급을 사용할 경우 케이블의 높은 저항(케이블 단면적이 감소함에 따라 저항이 증가함)으로 인해 허용할 수 없을 정도로 높은 전압 강하(케이블의 제일 끝에서 전압 강하가 소스 전압의 3% ~ 5% 이상으로 정의됨)가 발생하거나 긴 케이블에 걸쳐 전력이 손실될 수 있습니다.

케이블의 전압 강하 및 전력 손실은 전압이 아니라 전류에 비례합니다. 따라서 예를 들어 48V 공급을 통해 1.5kW(킬로와트)의 정전력이 공급되어야 하는 상업용 드론의 경우 1500/48 = 31.25A(암페어)의 전류가 필요합니다. 전압을 증가시켜, 또한 이를 통해 전류 요구 사항과 전압 강하 및 전력 손실을 낮추는 방식으로 이와 동일한 전력을 공급할 수 있습니다. 예를 들어, 800V 공급을 사용하려면 1500/800 = 1.9A에 불과한 전류가 필요합니다. 이러한 공급을 사용하면 설계자가 경량 케이블을 안전하게 사용할 수 있습니다.

드론을 위한 전력 전송망

더 높은 전압 공급과 더 가벼운 테더의 이점을 활용하기 위해 엔지니어는 테더에서 전송되는 높은 전압을 드론의 시스템에 필요한 작동 전압으로 안전하게 효율적으로 강압시킬 수 있는 전력 배분망을 설계해야 합니다.

그림 2는 이러한 전력 배분망의 예를 보여줍니다. 이 전력 배분망은 Vicor의 BCM 및 ZVS 벅 컨버터를 사용하여 구축되었습니다.

그림 2: 테더 드론을 위한 전력 배분망. 지상 기반 시스템에 사용되는 48V 버스는 테더에서 800V로 부스트되고 드론에서 다시 48V로 감소합니다. (이미지 출처: Vicor)

이 예에서, BCM은 3상 208V AC 공급을 드론의 지상 기반 컴퓨터 시스템을 위한 48V DC로 변환합니다. ZVS 벅 컨버터는 48V 공급을 개별 지상 기반 장치에 사용되는 12V, 5V, 3.3V로 감소시킵니다. 이제, 48V DC 공급은 2번째 BCM에 의해 800V로 승압되어 테더의 전압 강하 및 전력 손실을 최소화합니다.

드론에서 세 번째 BCM이 전압을 다시 48V로 감소시킵니다. 드론의 전력 배분망에는 카메라, 센서, 논리 장치에 적절한 전압을 공급하기 위한 벅 컨버터가 추가적으로 포함되어 있습니다.

이 응용에 제안된 BCM은 Vicor의 BCM4414VD1E5135C02(초기 208V AC - 48V DC 변환) 및 BCM4414VH0E5035M02(48V DC - 800V DC 변환 및 그 역 변환)입니다.

BCM4414VD1E5135C02는 260V ~ 400V 버스에서 작동하며 32.5V ~ 51.3V의 로우사이드 출력을 제공합니다. 이 장치는 35A 연속 로우사이드 전류, 최대 49W/cm³(입방센티미터당 와트) 전력 밀도, 97.7% 피크 효율을 제공합니다(그림 3).

그림 3: Vicor의 버스 컨버터 모듈은 넓은 로우사이드 전류 범위(T_CASE = 25˚C)에 걸쳐 우수한 효율을 나타냅니다. (이미지 출처: Vicor)

BCM4414VH0E5035M02는 500V ~ 800V 버스에서 작동하며 1.5kW의 최대 연속 전력 출력과 함께 31.3V ~ 50.0V의 로우사이드 출력을 제공합니다. 연속 로우사이드 전류, 전력 밀도, 피크 효율은 자매 제품과 동일합니다. BCM은 110.5mm x 35.5mm x 9.4mm 케이스 및 145g(그램)으로 제공됩니다.

Vicor BCM은 또한 상한 및 하한 열 임피던스가 매우 낮은 유연한 열 관리 옵션을 제공합니다. 이 장치를 사용하여 전력 시스템 설계자는 테더뿐만 아니라 지상 공급 장치 및 드론의 크기와 무게를 줄일 수 있습니다.

Vicor BCM은 DC-DC 전원 공급 장치이므로 초기 3상 208V AC 입력은 그림 2의 첫 번째 BCM보다 DC에 먼저 연결되어야 합니다. AC 정류에 적합한 장치는 Vicor AC 입력 모듈(AIM)(예: AIM1714VB6MC7D5C00)입니다(그림 4). AIM 장치는 85V ~ 264V AC 입력을 수용할 수 있으며 최대 5.3A의 전류 및 최대 450W의 전력에서 정류된 AC 출력을 제공합니다.

그림 4: BCM은 정류된 AC 입력을 필요로 하며 Vicor의 3상 AIM 모듈과 같은 장치는 해결책을 제공합니다. (이미지 출처: Vicor)

높은 전력 밀도 및 유연성을 제공하는 벅 조정

지상국 또는 드론의 BCM이 전압을 48V DC로 조정하고 나면 ZVS 벅 컨버터는 다양한 시스템에 대한 공급선의 전압을 더욱 강압시켜야 합니다. 특히 드론에서 벅 컨버터는 고 전력 밀도를 제공해야 하고 콤팩트 및 경량 전원 공급 장치를 형성할 수 있도록 효율적이어야 합니다. ZVS 벅 조정기는 이 작업에 매우 적합합니다.

일반적인 전압 조정기 MOSFET 내의 스위칭 손실은 비효율성의 주요 원인이며 전력 밀도에 부정적인 영향을 줍니다. ZVS는 이러한 손실을 처리하며 상대적으로 높은 전압 입력에서 작동하는 벅 컨버터에 특별한 이점입니다.

ZVS의 메커니즘(또한 '소프트 스위칭'으로 알려짐)은 복잡하지만 MOSFET의 온타임 동안 기존의 펄스 폭 변조(PWM) 전력 변환으로 가장 잘 정의될 수 있습니다. 그러나 '공명' 스위칭 전이가 있습니다. 출력 전압은 효과적인 듀티 사이클(및 온타임)을 조정하고 스위칭 조정기의 변환 주파수를 변화시켜 조정할 수 있습니다.

ZVS 스위치 오프타임 동안, 조정기의 L-C 회로가 공진되어 스위치의 전압이 제로에서 피크로 상승하며 스위치가 재활성화될 때 다시 제로로 떨어집니다. 이 과정에서 작동 주파수와 입력 전압에 관계없이 스위칭 조정기의 MOSFET 전환 손실이 제로이므로 전력이 크게 절약되고 효율성이 실질적으로 향상됩니다. ('제로 전압 스위칭과, 전압 조정에서 이 제로 전압 스위칭의 중요성 검토'를 참조하십시오.)

Vicor는 제어 회로망, 전력 반도체와, 고밀도 LGA, BGA, 시스템 인 패키지(SiP) 장치의 지원 부품이 통합된 다양한 ZVS 벅 조정기를 생산합니다. 이 스위칭 전압 조정기는 드론의 전력 배분 회로의 다른 부분에 사용되는 BCM을 보완합니다. ZVS 벅 조정기는 고효율 부하점(POL) DC-DC 조정을 위한 뛰어난 전력 밀도와 유연성을 제공합니다. 이 조정기는 다른 드론 서브시스템을 위해 48V 버스를 3.3V, 5V, 12V로 효율적으로 강압하는 데 사용할 수 있습니다.

ZVS 벅 조정기의 예에는 PI352x-00 제품군이 포함됩니다. PI352x-00 조정기는 하나의 외부 인덕터, 두 개의 전압 선택 저항기, 최소 개수의 커패시터만으로 완벽한 DC-DC 스위칭 모드 벅 조정기를 구성할 수 있습니다. 모든 조정기는 30V ~ 60V 입력에서 작동합니다. 이 제품군에는 세 개의 장치가 있습니다. PI3523-00는 공칭 3.3V 출력(2.2V ~ 4V 범위) 및 최대 22A를 제공하고 PI3525-00은 공칭 5.0V 출력(4V ~ 6.5V 범위) 및 최대 20A를 제공하고 PI3526-00은 공칭 12V 출력(6.5V ~ 14V 범위) 및 최대 18A를 제공합니다. 이 장치는 10mm x 14mm x 2.56mm 크기의 LGA SiP로 제공됩니다.

전력 밀도 네트워크에 ZVS 조정기 추가

드론 전력 배분망의 ZVS 벅 조정기의 성능을 최적화하려면 약간의 설계 작업이 필요합니다. 그림 5는 PI352x-00 제품군의 각 제품에 필요한 외부 부품을 보여줍니다.

그림 5: Vicor ZVS 벅 조정기는 출력 전압을 설정하기 위해 외부 인덕터, 저항기 네트워크가 필요하고 필터링을 위해 커패시터가 필요합니다. (이미지 출처: Vicor)

장치 각각에는 외부 인덕터가 필요합니다. Vicor는 효율성 최대화를 위해 에너지 저장 장치의 유도 용량 값을 계산했습니다. PI3523 및 PI3525 조정기의 경우 230nH(나노헨리) 인덕터가 권장되고 P13526 조정기의 경우 480nH 인덕터가 권장됩니다.

PI352X-00 제품군의 각 제품은 각각의 BCM(벅 조정기의 입력 범위는 30V ~ 60V DC 임)에서 48V DC 입력을 직접 처리할 수 있지만, 출력 전압을 설정하려면 함께 저항기 분배기 네트워크를 형성하는 출력 저항기 REA1 및 REA2를 선택해야 합니다.

출력 전압에 관계없이 최고의 잡음 내성을 위해 REA2를 1kΩ(킬로옴)으로 설정해야 합니다. REA1 값은 다음 공식을 통해 계산할 수 있습니다.

인덕터 값에 추가적으로 Vicor는 또한 전력 스테이지에 적합한 시동 및 고주파 감결합을 보장하기 위해 C_IN 및 C_OUT 커패시터에 대한 값을 권장합니다. PI352x-00 제품군은 주 하이사이드 MOSFET이 전도될 경우 저임피던스 세라믹 커패시터에서 거의 모든 고주파 전류를 끌어옵니다. 그런 다음 MOSFET이 오프 상태인 동안 커패시터는 소스에서 보충됩니다. 표 1에는 커패시터 값과 결과 리플 전류 및 전압이 나와 있습니다.

표 1: Vicor P1352x 입력 및 출력 커패시터(공칭 선간 전압 및 공칭 트림 기준)에 대한 권장값. (표 출처: Vicor)

PI352x-00 제품군을 사용하여 최적의 효율 및 낮은 전자기 간섭(EMI)을 보장하려면 적절한 부품 배치와 함께 반드시 최소한의 트레이스 저항 및 고전류 루프 반환값이 필요합니다. 그림 6은 조정기 및 외부 부품에 대한 권장 레이아웃을 표시합니다. 이 레이아웃은 PI3526-00-EVAL1 PI352x-00 평가 기판에 채택되어 있습니다.

그림 6: Vicor ZVS 조정기, 인덕터, 입력 및 출력 커패시터에 대한 최적 레이아웃. (이미지 출처: Vicor)

그림 5의 파란색 루프는 조정기의 높은 AC 반환 전류에 대한 입력 커패시터와 출력 커패시터 간(또한 V_IN과 V_OUT 간) 타이트한 경로를 나타내며 이는 효율성을 향상시킵니다.

결론

드론의 범위와 부하 용량을 최적화하기 위해 엔지니어는 고전압 테더로 전환했습니다. 테더는 케이블의 전력 손실과 전압 강하를 최소화합니다. 그러나 테더의 높은 전압을 버스 전압으로 안전하게 효율적으로 조정한 후 드론의 전자 시스템에서 요구되는 공급 전압으로 추가 조정해야 합니다.

Vicor의 효율적인 고 전력 밀도 BCM은 지상국, 테더, 드론 간에 전압을 줄이고 부스팅하기 위한 손쉽게 구현할 수 있는 솔루션을 제공합니다. 버스 전압을 드론의 다양한 서브시스템에 필요한 3.3V, 5V, 12V로 강압할 경우 BCM은 저 스위칭 손실 ZVS 벅 컨버터로 보완됩니다.