CN208461711U - 一种30kW无人机电源 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及无人机电源技术领域，尤其为一种30kW无人机电源，包括电源模块滤波器，电源模块滤波器连接无源PFC变换模块，无源PFC变换模块输出连接ZVS全桥移相功率变换模块，该ZVS全桥移相功率变换模块输出连接两路整流滤波输出电路。本实用新型，采用380V±20％输入，电源有2路输出，第一路输出功率15kw,输出电压0～900V可调，额定输出800V；第二路输出额定功率1kW,输出电压48V。具备电源输出过流、过压、过温、短路保护等，电源通讯采用CAN通讯，电源应能通过CAN通信将48V和800V两路输出电压和电流、电源温度，以及电源状态信息上传到计算机显控设备上。

Description

一种30kW无人机电源

技术领域

本实用新型涉及无人机电源技术领域，具体为一种30kW无人机电源。

背景技术

现有技术无人机电源在设计时输出电压较小，电源使用效率低下，且对于恶劣自然环境的防范措施不足，导致无人机电源甚至无人机的使用周期和使用效果大打折扣。

如公开号为CN207039220U的实用新型公开了一种无人机电源，包括电池以及与电池连接的直流转换器，电池的正极通过检测电阻连接充电端，还包括电压放大器，电压放大器的两个输入端分别连接检测电阻两端，电压放大器的输出端与直流转换器的使能端控制连接。该实用新型所述无人机电源能够在无人机充电时自动断开向无人机的供电，避免电池充电的同时继续工作，一定程度上延长了电池寿命并提高了无人机电池使用效率，但该技术依然存在输出电压较小，电源使用效率不高，且对于恶劣自然环境的防范措施不足，使无人机电源甚至无人机的使用周期和使用效果大打折扣等诸多问题。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种30kW无人机电源，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种30kW无人机电源，包括电源模块滤波器，电源模块滤波器连接无源PFC 变换模块，无源PFC变换模块输出连接ZVS全桥移相功率变换模块，该ZVS全桥移相功率变换模块输出连接两路整流滤波输出电路。

优选的，电源模块滤波器型号为ET-M30C21K36T，其与输入连接器直接连接，该输入连接器连接AC 380V。

优选的，无源PFC变换模块输入端连接三相整流桥，该三相整流桥与电源模块滤波器输出端连接。

优选的，ZVS全桥移相功率变换模块包括两个H桥高频逆变器，两个H桥高频逆变器输出均对应连接变压器。

优选的，两路整流滤波输出电路，其中一路采用桥式整流方式，另一路采用全波整流方式。

优选的，还包括辅助电源，该辅助电源分别连接到无源PFC变换模块输入端以及控制板，控制板连接面板。

优选的，辅助电源输入电压采自直流母线电压，再进行DC/DC变换，输出电流。

优选的，控制板采用UCC28950全桥移相控制芯片实现控制。

优选的，控制板通过CAN，RS485与客户上位机系统进行对接。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：电源模块滤波器和无源PFC 变换模块实现三相交流电到直流电的变换，该变换模块提高电路功率因数，减少电源对电网的谐波污染,具备高可靠性；ZVS全桥移相功率变换模块完成DC/DC 直流电压的变换与输出，采用ZVS软开关技术，使DC/DC变换电路中的开关管在输出1/3载以上，均工作在软开关状态，减少开关电源高频时的开关损耗，提高电源效率，减小EMI干扰。另外电路中还包含辅助电源、控制电路、面板及通信电路、防雷电路，很好防范了恶劣的自然环境，通信模块连接的上位机对无人机电源进行实时监测，极大提高了无人机电源的使用周期以及使用效果。

附图说明

图1为本实用新型(高频开关)电源模块原理框图；

图2为本实用新型30kW无人机电源模块防雷示意图；

图3为本实用新型电源模块滤波器插损曲线；

图4为本实用新型输入连接器与滤波器连接原理图；

图5为本实用新型三相整流桥进行AC/DC整流电路；

图6为本实用新型无源PFC技术原理框图；

图7为本实用新型PFC电感与PF值的对应表示意图；

图8为本实用新型移相全桥ZVS PWM变换原理框图；

图9为本实用新型ZVS PWM DC/DC全桥变换器主要波形图；

图10为本实用新型全桥变换器截取放大波形图；

图11为本实用新型碳化硅MOSFET并联专用驱动器板原理图；

图12为本实用新型电源模块800VDC输出整流滤波原理框图；

图13为本实用新型电源模块48VDC输出整流滤波原理框图；

图14为本实用新型辅助电源原理图；

图15为本实用新型电源模块控制电路原理框图；

图16为本实用新型电源模块面板显示图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

请参阅图1～16，本实用新型提供一种技术方案：

一.30kW无人机电源简介，

30kW无人机电源采用380V±20％输入，电源有2路输出，第一路输出功率 15kw,输出电压0～900V可调，额定输出800V；第二路输出额定功率1kW,输出电压48V。具备电源输出过流、过压、过温、短路保护等，电源通讯采用CAN通讯，电源应能通过CAN通信将48V和800V两路输出电压和电流、电源温度，以及工作状态传输至计算机显控设备上。电源需要通过高低温实验、湿热实验、霉菌、盐雾、冲击、振动等实验。电源具备24小时连续运行，平均故障间隔时间MTBF：≥5000h，平均修复时间MTTR：≤30min。

二.电源方案

电源模块滤波器和无源PFC变换模块实现三相交流电到直流电的变换，该变换模块提高电路功率因数，减少电源对电网的谐波污染,具备高可靠性；ZVS 全桥移相功率变换模块完成DC/DC直流电压的变换与输出，采用ZVS软开关技术，使DC/DC变换电路中的开关管在输出1/3载以上，均工作在软开关状态，减少开关电源高频时的开关损耗，提高电源效率，减小EMI干扰。另外电路中还包含辅助电源、控制电路、面板及通信电路、防雷电路等，电源模块整体设计方案如图1所示。

具体方案从下面几个方面介绍：

2.1技术特点

1)全方位多级防雷措施

2)标准3U结构，功率密度大

3)输出电压纹波小1％

4)效率高达94％

5)软开关控制技术，开关频率70～100KHZ，

6)通过RS485远程监控和操作

7)保护小于5uS

2.2防雷电路

防雷电路功能是把侵入到电力线的瞬时过电压限制在设备或系统所能承受的电压范围内，或将强大的雷电电流泄流入地，保护被保护的设备或系统不受冲击而损坏。其目的在于限制瞬态过电压和分走电涌电流。

电源从输入、输出、板卡、部件均添加了防雷措施，防雷措施采用TVS瞬态二极管、压敏电阻、气体放电管组合协调使用，其特点响应速度快，放电电流大。保证电源模块交流侧，直流侧以及信号端口全方位防雷。此全方位防雷措施在现有的电源设备中已经广泛运用。

2.3EMI滤波电路

为了满足系统的电磁兼容要求，输入EMI滤波器由专业厂家定制，其关键技术参数如表1所。电源模块滤波器外型尺寸及滤波器插损曲线如图3所示(按 CISPR 17在50/50Ω条件下测得)。

表1电源模块滤波器参数表

产品型号	额定电流	泄露电流	插入损耗	供电制式
					ET-M30C21K36T	35A	30mA	图	三相三线

输入端口串联滤波器。输入连接器直接与滤波器做成一体，滤波器安装时候紧贴机箱安装，防止电磁泄漏。输入连接器与滤波器连接原理如图4所示。

2.4AC/DC整流电路

交流380V进入电源模块后要进行整流,经过计算通过二极管的电流有效值为44.2A,整流二极管的电流应力是54.9A,峰值电流是121.8A,二极管承受的反向电压是780V。整流桥的总损耗是48.6W。结合电源模块的结构布局采用 SKD210/16三相整流桥。

单电源模块要求单机的功率因数要达到0.92，考虑到电源模块高可靠性和电磁兼容性，方案中采用无源PFC技术，其原理框图如图6所示(电源PFC功率因素校正原理框图)。

2.5PFC电感选择

经过计算后得到PFC电感与PF值的对应表如图7所示，当PF值达到0.92 的时候电感量要达到1mH，考虑生产时候感量会有偏差，选取电感量为1mH。

2.6输入整流滤波电容

考虑到电源模块的输入电压波动较大，整流输出直流电压纹波脉动小于10％的情况，经过计算后得出母线滤波电容需要总容量在5mF。采用1000uF/400V电容2串联10并联，最终容量在5mF/800V。

2.7移相全桥ZVS PWM变换器

电源2路输出均采用全桥变换器实现的功率变换，DC/AC变换是由全桥的两个桥臂完成的，而AC/DC是由变压器副边全桥整流滤波电路完成，两路电源独立工作，移相全桥ZVSPWM变换原理框图如图8所示。

采用移相全桥控制方式，每个桥臂的两个开关管互补导通，并保留一定的死区时间，所谓移相角即两个桥臂的开关管导通相差的一个相位。两个有一个相位差的电压叠加后加在变压器原端，通过调节移相角的大小来调节变压器原端电压，从而达到调节相应输出电压的目的。

在移相控制方式中增加额外的辅助谐振电路，利用开关管寄生电容与变压器漏感和谐振电感之间的谐振，便可以使全桥的四个开关管工作在软开关状态，大大减少高频时开关电源的开关损耗，提高电源的效率，减小电磁干扰。

采用软件对移相控制ZVS PWM DC/DC全桥变换器工作过程进行仿真，仿真效果如图9所示，全桥变换器截取部分放大波形如图10所示。

截取放大波形中一段进行分析，如图9所示在X1处Q3关闭，原边电流转移到C1和C3上，一方面吸收C1上的电荷，另一方面又给C3充电，由于C1和 C3的存在，Q3的电压是从零慢慢上升的，因此Q3是零电压关断，从而推得X3 时刻Q1也是零电压导通的。

开关管选用方案

电源效率要达到94％以上，这就要求功率密度尽可能大。经过计算和仿真，采用常规的硅开关管已无法满足高频高效高功率密度的要求，本方案采用大功率碳化硅MOSFET开关管，此开关管耐压1200V，电流90A。通过评估样机的测试得到结果，电源满载时候效率大于94％，碳化硅开关管总损耗在600瓦左右，温升小于40摄氏度，完全满足实际使用要求。

碳化硅MOSFET驱动电路

按照UCC28950的芯片输出驱动有200mA的输出电流。控制电路与主电路的“地”要进行隔离，而且要增大驱动功率才能驱动2只并联的碳化硅MOSFET。而且碳化硅的驱动与常规MOSFET和IGBT驱动有着很大的区别，经过公司长时间的设计和试验研发了碳化硅MOSFET并联专用驱动器板，可以保证碳化硅开关管高频高效可靠的工作，其电路框图如图11所示。

功率变压器方案

由于变压器工作频率比较高，转换功率要达到15kW，变压器采用PC40材质磁芯，最大磁通密度不大于0.12mT，为了降低集肤效应绕组采用多股漆包线，减小变压器磁损、铜损和涡流损耗。

2.8整流滤波输出电路

电源有两路输出，第一路输出额定电压800V,第二路输出额定电压48V。

第一路输出额定电压800V采用桥式整流方式。二极管采用碳化硅二极管多只并联，碳化硅二极管具有反向恢复电荷小，开关速度快等特点，对降低EMI 干扰和减少开关损耗有较好的作用。整流后电压经过输出滤波电感和滤波电容输出直流，输出串联共模电感，抑制高频纹波，实现输出纹波小于2％的要求。输出整流滤波原理框图如图12所示。

第二路输出额定电压48V采用全波整流方式，整流后电压经过输出滤波电感和滤波电容输出直流，输出串联共模电感，抑制高频纹波，实现输出纹波小于2％的要求。输出整流滤波原理框图如图13所示。

2.9辅助电源

辅助电源是保证电源模块正常工作的一个重要部件，辅助电源输入电压采自直流母线电压，再进行DC/DC变换，输出±14.5V,+5V电压供给控制板、驱动板、采样板。辅助电源原理图如图14所示。

2.10控制电路

本方案中电源模块的控制电路采用UCC28950全桥移相控制芯片来实现，UCC28950含有电压电流控制2种模式，在此电源模块中采用峰值电流模式，可以对输出纹波进行抑制和提高电源的动态响应。控制电路原理框图如图15所示，它具体分为如下几个部分:UCC28950外围电路，电压闭环、电流限流环，保护电路。

2.10.1电压闭环环节控制纹波和负载调整率控制方案

采用高速高精运放，保证环路的快速响应，通过快速的环路反馈来补偿直流母线中的低频纹波并降低负载调整率，保证输出低频纹波小于2％，负载调整率小于2％。

2.10.2软启动开机

开机时，UCC28950控制芯片的SS/EN脚给电容C6充电，内部充电电流为 25u A，充电时间由SS/EN脚输出电流和外部电容来确定，电容选用150nF,确保开机软启时间小于3s～10s。

2.10.3保护电路

本电源设置了保护功能:输入过压保护，输入欠压保护，输出过压保护和输出限流保护，过温保护，输出短路保护。输出短路保护可以保证在5us内关机。

2.10,4电源模块的本控和遥控

为了满足可对电源模块进行本控和远控控制，为此设计了“遥控”/“本控”功能。既可在本地通过文本控制器对电源模块进行监控，也可通过监控模块远程通讯，实现对电源模块的监控。

2.11面板及接口电路

2.11.1电源模块面板显示

电源显示具有“运行”“故障”3个指示灯，当电源柜内输入AC380V时液晶屏灯点亮，当电源柜电源模块运行时“运行”指示灯点亮，柜内任一电源模块出现故障，“故障”指示灯点亮。

电源显示板时时显示电源的输出电流、电压状态，电源可以通过面板按键进行电压设置，电源出现故障后可以按复位键进行复位处理，当电源出现故障时候，可以查看相应故障。

2.11.2过通信接口

电源模块通过通信接口与上位机通讯实现对电源模块的控制管理，其主要功能如下：

a)电源模块的开启与关闭；

b)电源模块输出电压、电流的设定；

c)电源模块实时电压值、电流值、温度值的采样；

d)电源模块报警监控及保护连锁；

电源通讯方式有CAN,RS485方便与客户上位机系统进行对接。

2.11.3电源输入输出接口

输入：AC380V±20％三线四线制,可根据客户需求采用对用航插。输出：0～DC800V，可根据客户需求采用对用航插。

电源技术相应表2

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种30kW无人机电源，包括电源模块滤波器，其特征在于：电源模块滤波器连接无源PFC变换模块，无源PFC变换模块输出连接ZVS全桥移相功率变换模块，该ZVS全桥移相功率变换模块输出连接两路整流滤波输出电路。

2.根据权利要求1所述的一种30kW无人机电源，其特征在于：电源模块滤波器型号为ET-M30C21K36T，其与输入连接器直接连接，该输入连接器连接AC 380V。

3.根据权利要求1所述的一种30kW无人机电源，其特征在于：无源PFC变换模块输入端连接三相整流桥，该三相整流桥与电源模块滤波器输出端连接。

4.根据权利要求1所述的一种30kW无人机电源，其特征在于：ZVS全桥移相功率变换模块包括两个H桥高频逆变器，两个H桥高频逆变器输出均对应连接变压器。

5.根据权利要求1所述的一种30kW无人机电源，其特征在于：两路整流滤波输出电路，其中一路采用桥式整流方式，另一路采用全波整流方式。

6.根据权利要求1所述的一种30kW无人机电源，其特征在于：还包括辅助电源，该辅助电源分别连接到无源PFC变换模块输入端以及控制板，控制板连接面板。

7.根据权利要求6所述的一种30kW无人机电源，其特征在于：辅助电源输入电压采自直流母线电压，再进行DC/DC变换，输出电流。

8.根据权利要求6所述的一种30kW无人机电源，其特征在于：控制板采用UCC28950全桥移相控制芯片实现控制。

9.根据权利要求6所述的一种30kW无人机电源，其特征在于：控制板通过CAN，RS485与客户上位机系统进行对接。