CN111017246A - 一种系留无人机机载多电机串连供电电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种系留无人机机载多电机串连供电电路，包括高压直流母线；若干级具有相似结构的直流降压电路，所述每级直流降压电路均由电容桥臂、开关管桥臂和电感构成；低压直流电压输出。通过驱动电路控制所述各开关管桥臂中开关管的开通关断状态，以所述电感为能量转移媒介，从而对所述电容桥臂进行充放电，最终实现将高压直流电源转换为多个低压直流电源，从而作为各个电机驱动电路的供电电源。本发明电路简单易行，对器件的耐压要求较低，器件选择范围较大，成本较低，且可以减轻无人机自重，使其具有更大的负载能力。

Description

一种系留无人机机载多电机串连供电电路

技术领域

本发明涉及系留无人机领域。更具体地，本发明涉及用于系留无人机机载多电机串连供电电路。

背景技术

系留无人机是现今极具发展前景的一种无人机。系留无人机在工作时需要通过传输线缆连接无人机和地面供电电源以给无人机实时供电。为减轻传输线缆的质量以及减少在传输线缆上的损耗，地面供电电源一般供给的为高压直流电。但是，高电压对驱动无人机螺旋桨的电机以及驱动电机的功率电路的绝缘和耐压等级有了更高的要求，因此可选的器件较少，成本较高，且会增加无人机自重，导致无人机负载能力降低，具有很大的局限性。

发明内容

发明目的：提供一种系留无人机机载多电机串连供电电路，用于实现无人机端高压直流到低压直流的转换。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：

一种系留无人机机载多电机串连供电电路，包括高压直流母线、n级直流降压电路和2ⁿ路低压直流电压输出端，其中，n为≥2的正整数；高压直流母线，包括正极B1和负极B2，每一级直流降压电路的两端分别与高压直流母线的正极B1和负极B2连接，第n级直流降压电路引出2ⁿ路低压直流电压输出端，每路低压直流电压输出端连接一个电极驱动电路为其供电，从而进一步驱动电机工作。

优选的，第i级直流降压电路包括：2ⁱ个电容Ci1，……，Ci(2ⁱ)，2ⁱ个开关管Qi1，……，Qi(2ⁱ)和2^i-1个电感Li1，……，Li(2^i-1)，其中，1≤i≤n；第i级直流降压电路的元件连接关系为：

2ⁱ个电容依次首尾相连，串联连接，其中第一个电容Ci1的第一端连接到直流母线的正极B1，第2ⁱ个电容Ci(2ⁱ)的第二端连接到直流母线的负极B2，从第一个电容开始，每相邻两个电容为一组，即Ci1、Ci2为一组，Ci3、Ci4为一组，……，Ci(2ⁱ-1)、Ci(2ⁱ)为一组，分别构成电容桥臂BCi1，BCi2，……，BCi(2^i-1)，共2^i-1组电容桥臂，所述每组电容桥臂内第一电容的第一端作为该电容桥臂的第一端，每组电容桥臂内第一电容的第二端与第二电容的第一端的连接点作为该电容桥臂的公共端，每组电容桥臂内第二电容的第二端作为该电容桥臂的第二端；

2ⁱ个开关管依次首尾相连，串联连接，其中第一个开关管Qi1的第一端连接到直流母线的正极B1，第2ⁱ个开关管Qi(2ⁱ)的第二端连接到直流母线的负极B2，从第一个开关管开始，每相邻两个开关管为一组，即Qi1、Qi2为一组，Qi3、Qi4为一组，……，Qi(2ⁱ-1)、Qi(2ⁱ)为一组，分别构成开关管桥臂BQi1，BQi2，……，BQi(2^i-1)，共2^i-1组开关管桥臂，负责为对应的电容桥臂进行动态均压，所述每组开关管桥臂内第一开关管的第一端作为该开关管桥臂的第一端，每组开关管桥臂内第一开关管的第二端与第二开关管的第一端的连接点作为该开关管桥臂的公共端，每组开关管桥臂内第二开关管的第二端作为该开关管桥臂的第二端；

2^i-1组电容桥臂的第二端分别与相对应的2^i-1组开关管桥臂的第二端相连接；每个电容桥臂公共端和相应的开关管桥臂公共端之间串联一个电感；

n级直流降压电路之间的连接关系为：

前一级直流降压电路的每个电容的两端依次分别与后一级直流降压电路对应的电容桥臂两端相连接。

进一步的，每级直流降压电路内所有电容的参数均相同。

进一步的，每级直流降压电路中的所有开关管为IGBT或功率MOSFET，且其参数均相同。

优选的，2ⁿ路低压直流电压输出端分别由第n级直流降压电路的2ⁿ个电容Cn1、Cn2、Cn3、……、Cn(2ⁿ)的两端引出作为输出端，连接到电机驱动电路为其供电，从而进一步驱动电机工作。

有益效果：与现有技术相比，本发明所提供的系留无人机机载直流降压电源电路，首先通过所述第一级直流降压电路输出两路平衡的直流电压，将直流母线电压降至其二分之一，然后通过所述第二级直流降压电路输出四路平衡的直流电压，且四路输出电压相同，均为四分之一直流母线电压，……，直到第n级直流降压电路输出2ⁿ路平衡的直流电压，且2ⁿ路输出电压相同，均为1/2ⁿ直流母线电压，其过程均是通过驱动电路控制所述各开关管桥臂中开关管的开通关断状态从而对所述电容桥臂进行充放电，最终实现从高压直流到低压直流的转换。本发明电路简单易行，对器件耐压要求较低，器件选择范围较大，成本较低，使其应用范围更广，且减轻了无人机自身的重量，使其有更大的负载空间。

附图说明

图1是本发明系留无人机机载多电机串连供电电路的拓扑图；

图2是本发明实施例提供的一种包含两级直流降压电路的供电电路拓扑图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本邻域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下，所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

本发明公开了一种系留无人机机载多电机串连供电电路，包括高压直流母线；若干级具有相似结构的直流降压电路，所述每级直流降压电路均由电容桥臂、开关管桥臂和电感构成；低压直流电压输出。通过驱动电路控制所述各开关管桥臂中开关管的开通关断状态，以所述电感为能量转移媒介，从而对所述电容桥臂进行充放电，最终实现将高压直流电源转换为多个低压直流电源，从而作为各个电机驱动电路的供电电源。本发明电路简单易行，对器件的耐压要求较低，器件选择范围较大，成本较低，且可以减轻无人机自重，使其具有更大的负载能力。

如图1所示，一种系留无人机机载多电机串连供电电路，包括高压直流母线、n级直流降压电路和2ⁿ路低压直流电压输出端，其中，n为≥2的正整数，高压直流母线包括正极B1和负极B2；n级直流降压电路均具有相似的结构，任意一级直流降压电路，即第i级直流降压电路由以下元件构成：

电容Ci1，Ci2，Ci3，……，Ci(2ⁱ)，共2ⁱ个；

开关管Qi1，Qi2，Qi3，……，Qi(2ⁱ)，共2ⁱ个；

电感Li1，Li2，Li3，……，Li(2^i-1)，共2^i-1个；

其中，i为1到n之间(包括1和n)的正整数。

以上所述第i级直流降压电路的元件连接关系为：

所述2ⁱ个电容依次首尾相连，串联连接，其中第一个电容Ci1的第一端连接到直流母线的正极B1，第2ⁱ个电容Ci(2ⁱ)的第二端连接到直流母线的负极B2，从第一个电容开始，每相邻两个电容为一组，即Ci1、Ci2为一组，Ci3、Ci4为一组，……，Ci(2ⁱ-1)、Ci(2ⁱ)为一组，分别构成电容桥臂BCi1，BCi2，……，BCi(2^i-1)，共2^i-1组电容桥臂，所述每组电容桥臂内第一电容的第一端作为该电容桥臂的第一端，每组电容桥臂内第一电容的第二端与第二电容的第一端的连接点作为该电容桥臂的公共端，每组电容桥臂内第二电容的第二端作为该电容桥臂的第二端。

所述2ⁱ个开关管依次首尾相连，串联连接，其中第一个开关管Qi1的第一端连接到直流母线的正极B1，第2ⁱ个开关管Qi(2ⁱ)的第二端连接到直流母线的负极B2，从第一个开关管开始，每相邻两个开关管为一组，即Qi1、Qi2为一组，Qi3、Qi4为一组，……，Qi(2ⁱ-1)、Qi(2ⁱ)为一组，分别构成开关管桥臂BQi1，BQi2，……，BQi(2^i-1)，共2^i-1组开关管桥臂，负责为对应的电容桥臂进行动态均压，所述每组开关管桥臂内第一开关管的第一端作为该开关管桥臂的第一端，每组开关管桥臂内第一开关管的第二端与第二开关管的第一端的连接点作为该开关管桥臂的公共端，每组开关管桥臂内第二开关管的第二端作为该开关管桥臂的第二端。

所述2^i-1组电容桥臂的第二端分别与相对应的2^i-1组开关管桥臂的第二端相连接，即：电容桥臂BCi1的第二端与开关管桥臂BQi1的第二端连接，电容桥臂BCi2的第二端与开关管桥臂BQi2的第二端连接，……，电容桥臂BCi(2^i-1)的第二端与开关管桥臂BQi(2^i-1)的第二端连接。

所述2^i-1个电感作为能量转移的媒介，每个电感两端分别与对应的电容桥臂公共端和开关管桥臂的公共端相连接，即：电感Li1的一端与所述电容桥臂BCi1的公共端相连接，另一端与所述开关管桥臂BQi1的公共端相连接，电感Li2的一端与所述电容桥臂BCi2的公共端相连接，另一端与所述开关管桥臂BQi2的公共端相连接，……，电感Li(2^i-1)的一端与所述电容桥臂BCi(2^i-1)的公共端相连接，另一端与所述开关管桥臂BQi(2^i-1)的公共端相连接。

所述n级直流降压电路之间的连接关系为：

前一级直流降压电路的每个电容的两端依次分别与后一级直流降压电路对应的电容桥臂两端相连接，即：第i级直流降压电路的2ⁱ个电容两端依次分别与第i+1级直流降压电路对应的2ⁱ个电容桥臂的第一端和第二端相连接；

2ⁿ路低压直流电压输出端Uo1，Uo2，Uo3，……，Uo(2ⁿ)，所述2ⁿ路低压直流电压输出端分别由第n级直流降压电路的2ⁿ个电容Cn1、Cn2、Cn3、……、Cn(2ⁿ)的两端引出作为输出端，连接到电机驱动电路为其供电，从而进一步驱动电机工作。

其中，每级直流降压电路内的所有电容的参数均相同，每级直流降压电路中的所有开关管为IGBT或功率MOSFET，且其参数均相同。

下面以两级直流降压电路为例来进行说明：

如图2所示，一种系留无人机电机驱动机载直流降压电路包括，直流母线，两级直流降压电路和四路低压直流电压输出端。所述直流母线由地面电源通过传输线缆供给高压直流电，所述第一级直流降压电路包括两个电容C11、C12，两个开关管Q11、Q12和一个电感L11，电容C11和C12首尾相连，串联连接构成电容桥臂BC11，开关管Q11和Q12首尾相连，串联连接构成开关管桥臂BQ11，电感L11的一端与电容C11和电容C12的连接点连接，电感L11的另一端与开关管Q11和开关管Q12的连接点连接；所述第二级直流降压电路包括四个电容C21、C22、C23、C24，四个开关管Q21、Q22、Q23、Q24和两个电感L21、L22，电容C21、C22、C23、C24依次首尾相连，串联连接，电容C21、C22构成电容桥臂BC21，电容C23、C24构成电容桥臂BC22，开关管Q21、Q22、Q23、Q24依次首尾相连，串联连接，开关管Q21、Q22构成开关管桥臂BQ21，开关管Q23、Q24构成开关管桥臂BQ22；电感L21的一端与电容C21和电容C22的连接点连接，电感L21的另一端与开关管Q21和开关管Q22的连接点连接；电感L22的一端与电容C23和电容C24的连接点连接，电感L22的另一端与开关管Q23和开关管Q24的连接点连接。

本实施例中，直流母线电压以1200V为例说明。当然该直流母线电压不只限于1200V，需根据具体的应用而定。

直流降压电路以两级为例说明。当然直流降压电路级数不只限于两级，需根据具体情况而定。

每组开关管桥臂的开关管以IGBT(N沟道)为例说明。当然除了IGBT也可以为功率MOSFET。当开关管为IGBT时，则开关管的第一端(首)为集电极，第二端(尾)为发射极；如果开关管为功率MOSFET，则开关管的第一端(首)为漏极，开关管的第二端(尾)为源极。

在具体实施中，每组开关管桥臂的两个开关管可以为单独的器件，或者为了提高集成度，每个桥臂可以选用IGBT模块(包含两个串联的IGBT)。

每组电容桥臂的电容若为有极性电容，则电容的第一端(首)为电容的正极，电容的第二端(尾)为电容的负极；每组电容桥臂的电容若为无极性电容，则电容的任意一端为电容的第一端(首)，另外一端则为其第二端(尾)。

如图2所示，实施例电路中各部分具体连接关系如下：

(1)第一级直流降压电路的电容桥臂BC11连接关系：电容C11的第二端和电容C12第一端连接，并作为该电容桥臂的公共端，电容C11的第一端作为该电容桥臂的第一端与高压直流母线的正极B1连接，电容C12的第二端作为该电容桥臂的第二端与高压直流母线的负极B2连接；

(2)第一级直流降压电路开关管桥臂BQ11连接关系：开关管Q11的发射极和开关管Q12集电极连接，作为该开关管桥臂的公共端，开关管Q11的集电极作为该开关管桥臂的第一端与高压直流母线的正极B1连接，开关管Q12的发射极作为该开关管桥臂的第二端与高压直流母线的负极B2连接；

(3)第二级直流降压电路电容桥臂BC21连接关系：电容C21的第二端和电容C22的第一端连接，并作为该电容桥臂的公共端，电容C21的第一端作为该电容桥臂的第一端与高压直流母线的正极B1连接，电容C22的第二端作为该电容桥臂的第二端与第二级直流降压电路电容桥臂BC22的第一端连接；

(4)第二级直流降压电路电容桥臂BC22连接关系：电容C23的第二端和电容C24的第一端连接，并作为该电容桥臂的公共端，电容C23的第一端作为该电容桥臂的第一端与第二级直流降压电路电容桥臂BC11的第二端连接，电容C24的第二端作为该电容桥臂的第二端与高压直流母线的负极B2连接；

(5)第二级直流降压电路开关管桥臂BQ21连接关系：开关管Q21的发射极和开关管Q22集电极连接，作为该开关管桥臂的公共端，开关管Q21的集电极作为该开关管桥臂的第一端与高压直流母线的正极B1连接，开关管Q22的发射极作为该开关管桥臂的第二端与第二级直流降压电路开关管桥臂BQ22的第一端连接；

(6)第二级直流降压电路开关管桥臂BQ22连接关系：开关管Q23的发射极和开关管Q24集电极连接，作为该开关管桥臂的公共端，开关管Q23的集电极作为该开关管桥臂的第一端与第二级降压电路开关管桥臂BQ21的第二端连接，开关管Q24的发射极作为该开关管桥臂的第二端与高压直流母线的负极B2连接；

其中，第一级直流降压电路的电容桥臂BC11公共端与第一级直流降压电路开关管桥臂BQ11的公共端通过电感L11相连接，第二级直流降压电路的电容桥臂BC21公共端与第二级直流降压电路的开关管桥臂BQ21公共端通过电感L21相连接，第二级直流降压电路的电容桥臂BC22与第二级直流降压电路的开关管桥臂BQ22公共端通过电感L22相连接，第一级直流降压电路的电容C11的两端分别与第二级直流降压电路的电容桥臂BC21的第一端和第二端相连接，第一级直流降压电路的电容C12的两端分别与第二级直流降压电路的电容桥臂BC22的第一端和第二端相连接；

四路直流电压输出Uo1、Uo2、Uo3、Uo4分别由电容C21、C22、C23、C24的两端引出，并分别连接到四个电机驱动电路为其供电，从而进一步驱动电机工作。

下面为了让本领域技术人员更加清楚本发明所提供的系留无人机机载直流降压电源电路的工作原理，下文从控制开关管的角度进行说明。

如图2所示，高压直流母线电压为1200V。通过第一级降压电路，由于电容C11、C12参数均相同，稳定状态下电容C11和C12两端的电压应相等，均为600V。若负载不平衡，则会引起电容C11、C12两端电压不均衡：电容C11两端电压大于电容C12两端电压时，首先关断开关管Q12，开通开关管Q11，此时电容C11通过开关管Q11对电感L11充电，电感L11上的电流上升，电容C11上的能量转移一部分到电感L11上，电容C11两端的电压下降；在电容C11对电感L11充电一段时间后关断开关管Q11，开通开关管Q12，此时电感L11对电容C12充电，电感L11上的电流下降，电感L11上的能量转移一部分到电容C12上，电容C12两端电压上升；在电感L11对电容C12充电一端时间后，再次关断开关管Q12，开通开关管Q11，如此循环往复，最终达到稳态时，会实现电容C11和C12两端的电压均衡。电容C12两端电压大于电容C11两端电压时，首先关断开关管Q11，开通开关管Q12，此时电容C12通过开关管Q12对电感L11充电，电感L11上的电流上升，电容C12上的能量转移一部分到电感L11上，电容C12两端的电压下降；在电容C12对电感L11充电一段时间后关断开关管Q12，开通开关管Q11，此时电感L11对电容C11充电，电感L11上的电流下降，电感L11上的能量转移一部分到电容C11上，电容C11两端电压上升；在电感L11对电容C11充电一端时间后，再次关断开关管Q11，开通开关管Q12，如此循环往复，最终达到稳态时，会实现电容C11和C12两端的电压均衡。

需要说明的是，上述两种工作情况中电感L11上电流的方向是相反的。

第一级直流降压电路电容C11、C12两端分别输出600V直流电压，然后两路600V直流电压分别通过第二级直流降压电路上下两组桥臂降压，由于第二级直流降压电路上下两组桥臂的工作原理与上述第一级直流降压电路工作原理类似，现仅以第二级直流降压电路的桥臂电路BC21、BQ21为例进行说明。由于电容C21、C22参数相同，稳定状态下电容C21、C22两端电压应相等，即为300V。负载不平衡，则会引起电容C21、C22两端电压不均衡：电容C21两端电压大于电容C22两端电压时，首先关断开关管Q22，开通开关管Q21，此时电容C21通过开关管Q21对电感L21充电，电感L21上的电流上升，电容C21上的能量转移一部分到电感L21上，电容C21两端的电压下降；在电容C21对电感L21充电一段时间后关断开关管Q21，开通开关管Q22，此时电感L21对电容C22充电，电感L21上的电流下降，电感L21上的能量转移一部分到电容C22上，电容C22两端电压上升；在电感L21对电容C22充电一端时间后，再次关断开关管Q22，开通开关管Q21，如此循环往复，最终达到稳态时，会实现电容C21和C22两端的电压均衡。电容C22两端电压大于电容C21两端电压时，首先关断开关管Q21，开通开关管Q22，此时电容C22通过开关管Q22对电感L21充电，电感L21上的电流上升，电容C22上的能量转移一部分到电感L21上，电容C22两端的电压下降；在电容C22对电感L21充电一段时间后关断开关管Q22，开通开关管Q21，此时电感L21对电容C21充电，电感L21上的电流下降，电感L21上的能量转移一部分到电容C21上，电容C21两端电压上升；在电感L21对电容C21充电一端时间后，再次关断开关管Q21，开通开关管Q22，如此循环往复，最终达到稳态时，会实现电容C21和C22两端的电压均衡。需要说明的是，上述两种工作情况中电感L21电流的方向是相反的。第二级直流降压电路下桥臂工作原理同理。

最终，电容C21、C22、C23、C24两端输出电压均保持在300V，可分别从电容C21、C22、C23、C24两端接出至负载以供适配负载使用。

Claims (5)

1.一种系留无人机机载多电机串连供电电路，其特征在于：包括高压直流母线、n级直流降压电路和2ⁿ路低压直流电压输出端，其中，n为≥2的正整数；高压直流母线，包括正极B1和负极B2，每一级直流降压电路的两端分别与高压直流母线的正极B1和负极B2连接，第n级直流降压电路引出2ⁿ路低压直流电压输出端，每路低压直流电压输出端连接一个电极驱动电路为其供电，从而进一步驱动电机工作。

2.根据权利要求1所述的一种系留无人机机载多电机串连供电电路，其特征在于，第i级直流降压电路包括：2ⁱ个电容Ci1，……，Ci(2ⁱ)，2ⁱ个开关管Qi1，……，Qi(2ⁱ)和2^i-1个电感Li1，……，Li(2^i-1)，其中，1≤i≤n；第i级直流降压电路的元件连接关系为：

2ⁱ个电容依次首尾相连，串联连接，其中第一个电容Ci1的第一端连接到直流母线的正极B1，第2ⁱ个电容Ci(2ⁱ)的第二端连接到直流母线的负极B2，从第一个电容开始，每相邻两个电容为一组，即Ci1、Ci2为一组，Ci3、Ci4为一组，……，Ci(2ⁱ-1)、Ci(2ⁱ)为一组，分别构成电容桥臂BCi1，BCi2，……，BCi(2^i-1)，共2^i-1组电容桥臂，所述每组电容桥臂内第一电容的第一端作为该电容桥臂的第一端，每组电容桥臂内第一电容的第二端与第二电容的第一端的连接点作为该电容桥臂的公共端，每组电容桥臂内第二电容的第二端作为该电容桥臂的第二端；

2ⁱ个开关管依次首尾相连，串联连接，其中第一个开关管Qi1的第一端连接到直流母线的正极B1，第2ⁱ个开关管Qi(2ⁱ)的第二端连接到直流母线的负极B2，从第一个开关管开始，每相邻两个开关管为一组，即Qi1、Qi2为一组，Qi3、Qi4为一组，……，Qi(2ⁱ-1)、Qi(2ⁱ)为一组，分别构成开关管桥臂BQi1，BQi2，……，BQi(2^i-1)，共2^i-1组开关管桥臂，负责为对应的电容桥臂进行动态均压，所述每组开关管桥臂内第一开关管的第一端作为该开关管桥臂的第一端，每组开关管桥臂内第一开关管的第二端与第二开关管的第一端的连接点作为该开关管桥臂的公共端，每组开关管桥臂内第二开关管的第二端作为该开关管桥臂的第二端；

2^i-1组电容桥臂的第二端分别与相对应的2^i-1组开关管桥臂的第二端相连接；每个电容桥臂公共端和相应的开关管桥臂公共端之间串联一个电感；

n级直流降压电路之间的连接关系为：

前一级直流降压电路的每个电容的两端依次分别与后一级直流降压电路对应的电容桥臂两端相连接。

3.根据权利要求2所述的一种系留无人机机载多电机串连供电电路，其特征在于，每级直流降压电路内所有电容的参数均相同。

4.根据权利要求2所述的一种系留无人机机载多电机串连供电电路，其特征在于，每级直流降压电路中的所有开关管为IGBT或功率MOSFET，且其参数均相同。

5.根据权利要求2所述的一种系留无人机机载多电机串连供电电路，其特征在于，2ⁿ路低压直流电压输出端分别由第n级直流降压电路的2ⁿ个电容Cn1、Cn2、Cn3、……、Cn(2ⁿ)的两端引出作为输出端，连接到电机驱动电路为其供电，从而进一步驱动电机工作。

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