無(wú)人機(jī)高功率密度變換器設(shè)計(jì)

劉小涵，彭 旭，劉希軍

（中國(guó)民用航空飛行學(xué)院，四川 廣漢 618307）

0 引言

隨著科技的快速發(fā)展，隨著平臺(tái)、算法、交互方式的不斷更新和突破，人工智能技術(shù)也逐步走向成熟，涉及的領(lǐng)域也逐漸具體化、民用化[1-3]。無(wú)人機(jī)作為一種高科技產(chǎn)品越來(lái)越受到人們的喜愛(ài)，目前在航拍、農(nóng)業(yè)、自拍、快遞運(yùn)輸、災(zāi)難救援等領(lǐng)域起著至關(guān)重要的作用，這也大大地拓展了無(wú)人機(jī)的市場(chǎng)[4-5]。

伴隨著無(wú)人機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域的不斷延伸，如何進(jìn)一步減小無(wú)人機(jī)的體積和提高充電效率也成了近幾年的研究重點(diǎn)，為了使無(wú)人機(jī)有更好的續(xù)航里程，有學(xué)者提出了選用儲(chǔ)能密度更高的鋰電池作為無(wú)人機(jī)的供電單元，同時(shí)鋰電池的體積也相對(duì)小很多[6-8]。無(wú)人機(jī)充電的效率主要依靠其中的DC-DC變換器的效率，同時(shí)減小變換器的體積對(duì)進(jìn)一步減小無(wú)人機(jī)的體積也起到確定性作用，因此研究一個(gè)高功率密度的無(wú)人機(jī)充電用變換器顯得相當(dāng)重要[9-10]。

1 無(wú)人機(jī)變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 隔離與非隔離型拓?fù)溥x擇

根據(jù)變換器結(jié)構(gòu)中是否有變壓器進(jìn)行電氣隔離，可以將傳統(tǒng)的DC-DC變換器分為隔離型變換器和非隔離型變換器兩種類(lèi)型。

在無(wú)人機(jī)充電系統(tǒng)中，一般采用降壓型變換器，降壓至15-18V才能給無(wú)人機(jī)的電池充電，所以要求降壓比很大的變換器。非隔離型變換器適用于升降壓范圍比較小的情況，對(duì)于這種降壓較高的情況應(yīng)該選用隔離型變換器。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)正激式和反激式拓?fù)潆娫磦?cè)不連續(xù)，諧波含量大；推挽式拓?fù)鋵?duì)變壓器繞組的利用率太低、對(duì)功率開(kāi)關(guān)管的耐壓能力要求比較高；半橋式拓?fù)渲邪霕蚴介_(kāi)關(guān)電源會(huì)出現(xiàn)半導(dǎo)通區(qū)，損耗大。相比之下全橋式拓?fù)渚哂泻苊黠@的優(yōu)勢(shì)：開(kāi)關(guān)管應(yīng)力相對(duì)較小，鉗位或體二極管回路結(jié)構(gòu)便于磁復(fù)位和尖峰抑制，有助于提高變換器整體效率，容易實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)等，因此針對(duì)無(wú)人機(jī)降壓變換器應(yīng)該選用全橋結(jié)構(gòu)。全橋變換器拓?fù)淙鐖D1所示。

圖1 全橋變換器拓?fù)?/p>

1.2 驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)選擇

針對(duì)全橋變換器的驅(qū)動(dòng)部分本文選擇了控制簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)的移相控制。移相控制的工作原理是：位于同一橋臂上的兩個(gè)開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通角差180°，位于對(duì)角線上的兩個(gè)開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通角相差一個(gè)角度，即所謂的移相角，當(dāng)輸入電壓變化時(shí)，要求輸出電壓還是穩(wěn)定在要求的電壓值時(shí)，就可以通過(guò)對(duì)移相角的調(diào)節(jié)來(lái)完成。移相控制原理如圖2所示。

圖2 移相控制原理

軟開(kāi)關(guān)分為零電壓開(kāi)關(guān)（ZVS）、零電流開(kāi)關(guān)（ZCS）和零電壓零電流開(kāi)關(guān)（ZVZCS）3種。零電壓全橋軟開(kāi)關(guān)變換電路由于原邊有較大的環(huán)流，副邊占空比丟失比較大，這種占空比的丟失會(huì)使整流二極管的電壓應(yīng)力增加，由于滯后橋臂實(shí)現(xiàn)零電壓軟開(kāi)關(guān)的范圍與輸入電壓和負(fù)載兩個(gè)因素有關(guān)，所以在輕載時(shí)零電壓軟開(kāi)關(guān)會(huì)比較難實(shí)現(xiàn)。因此本文設(shè)計(jì)的變換器采用ZVZCS軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，設(shè)計(jì)的變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 設(shè)計(jì)的變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2 無(wú)人機(jī)變換器的控制策略設(shè)計(jì)

針對(duì)降壓變換器的基本控制電路有電壓閉環(huán)模式和電流閉環(huán)模式。電流閉環(huán)是將輸出電流作為閉環(huán)控制系統(tǒng)輸入的方式。電流模式最大的優(yōu)點(diǎn)就是系統(tǒng)響應(yīng)很快，但是涉及對(duì)主電路中電感電流的采集，使得實(shí)際實(shí)現(xiàn)電流閉環(huán)相對(duì)復(fù)雜且成本昂貴。同時(shí)還需要增加斜坡補(bǔ)償模塊，加大了設(shè)計(jì)難度。針對(duì)本文設(shè)計(jì)的無(wú)人機(jī)降壓變換器，本文采用雙閉環(huán)控制策略，它包括內(nèi)環(huán)控制和外環(huán)控制兩種系統(tǒng)，外環(huán)是對(duì)電壓控制，內(nèi)環(huán)是對(duì)電流控制。整體控制框如圖4所示。

圖4 無(wú)人機(jī)降壓變換器的控制框

3 仿真分析

圖6所示為仿真波形分析，可以看出無(wú)人機(jī)電池接入變換器后波形穩(wěn)定。

圖5 電池接入變換器過(guò)程輸出側(cè)電壓電流波形

4 結(jié)語(yǔ)

本文主要針對(duì)現(xiàn)有無(wú)人機(jī)用降壓變換器存在的效率低、體積大、重量重等缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了高功率密度的DC-DC變換器，能夠較大程度地滿足小型化、輕量化、高功率密度、高效率的要求。并且通過(guò)仿真結(jié)果驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的無(wú)人機(jī)降壓移相全橋變換器的主電路結(jié)構(gòu)、參數(shù)設(shè)計(jì)和電壓電流雙閉環(huán)控制策略滿足要求。