Cómo diseñar redes modulares eficientes de suministro de energía para vehículos aéreos no tripulados anclados

Los vehículos aéreos no tripulados (UAV) o "drones" se utilizan cada vez más para aplicaciones pesadas, como el reconocimiento terrestre para el ejército, la extinción de incendios y la agricultura. Estos y muchos otros casos de uso exigen que el dron esté en el aire durante largos periodos, por lo que las baterías no son una opción. En su lugar, el dron se alimenta de energía a través de un cable anclado durante todo el vuelo.

Sin embargo, los anclajes plantean nuevos retos. Un cable de sujeción más grueso ofrece menor resistencia eléctrica, pero supone una mayor carga para el dron, lo que limita su capacidad de carga. Los cables finos aumentan la resistencia eléctrica, lo que provoca una disipación de potencia y una caída de voltaje inaceptables en las longitudes típicamente largas de los anclajes para drones. Los ingenieros intentan superar las pérdidas asociadas a los cables más finos aumentando el voltaje de anclaje hasta 800 voltios. Este aumento ayuda a reducir la corriente para una potencia determinada.

El reto consiste entonces en manejar el alto voltaje del dron. La red de distribución de energía del dron debe ser capaz de tomar el alto voltaje y reducirlo eficazmente a los voltajes más bajos requeridos por los sistemas del UAV. Cualquier solución de gestión de la energía debe ser ligera y compacta para minimizar el impacto en la capacidad de carga del vehículo.

Este artículo analiza las ventajas de los sistemas de alimentación de alta tensión para drones cautivos. A continuación, se explica por qué los módulos convertidores de bus (BCM) de alta eficiencia y densidad de potencia y los convertidores de voltaje de conmutación sin voltaje (ZVS) reductores ("buck") son una buena opción a la hora de diseñar redes de distribución de energía para aplicaciones de UAV cautivos. Se presentan ejemplos de BCM y convertidores reductores ZVS de Vicor para mostrar cómo diseñar una red eléctrica ligera, pero eficiente.

Mayores voltajes permiten cables más ligeros

Las correas de sujeción liberan a los diseñadores de las restricciones que las baterías/pilas imponen a los drones (Figura 1). Los vehículos aéreos no tripulados pueden permanecer en el aire durante largos periodos, siempre que se disponga de energía en tierra, lo que les permite operar en aplicaciones como plataformas de observación o relés de radio en el horizonte. El inconveniente es que el dron debe izar un cable potencialmente pesado, lo que puede limitar tanto su alcance operativo como su capacidad de carga útil, como cámaras o equipos de radio.

Figura 1: Los drones pueden permanecer en el aire durante largos periodos de tiempo gracias a un cable de alimentación. (Fuente de la imagen: Vicor)

Los drones comerciales necesitan varios voltajes de CC para sus diversos sistemas. Por ejemplo, 48 voltios son habituales para motores, mientras que 12, 5 y 3.3 voltios son típicos para sensores, actuadores y electrónica de control. Las sujeciones finas y ligeras ayudan a limitar la carga de peso en el dron, pero la mayor resistencia del cable (la resistencia aumenta a medida que disminuye la sección transversal del cable) puede provocar una caída de voltaje inaceptablemente alta (definida como una caída de voltaje superior al 3 o 5 por ciento de la tensión de la fuente en el extremo más alejado del cable) y una disipación de potencia en tramos largos de cable cuando se utiliza una fuente de alimentación de 48 voltios.

La caída de voltaje y la disipación de potencia del cable son proporcionales a la corriente que transporta y no al voltaje. Así, por ejemplo, un dron comercial que requiera una potencia constante de 1.5 kilovatios (kW) alimentado a través de una fuente de 48 voltios necesitará una corriente de 1500/48 = 31.25 amperios (A). Se puede suministrar la misma potencia aumentando la tensión, con lo que se reduce la necesidad de corriente y, por consiguiente, la caída de voltaje y la disipación de potencia. Por ejemplo, utilizar una alimentación de 800 voltios requiere una corriente de sólo 1500/800 = 1.9 A. Este tipo de alimentación permite al diseñador utilizar con seguridad un cable ligero.

Red de suministro eléctrico para drones

Para aprovechar las ventajas de las fuentes de alimentación de alto voltaje y los anclajes más ligeros, los ingenieros tienen que diseñar redes de distribución de energía que puedan reducir de forma segura y eficiente los altos voltajes transportados en el anclaje a los voltajes de trabajo necesarios para los sistemas del dron.

La figura 2 muestra un ejemplo de este tipo de red. Esta Red se ha construido utilizando BCM y conmutadores de voltaje cero (ZVS) de Vicor.

Figura 2: Red de distribución de energía para un dron anclado. Obsérvese cómo el bus de 48 voltios utilizado para los sistemas terrestres se eleva a 800 voltios en el cable y luego se reduce a 48 voltios en el dron. (Fuente de la imagen: Vicor)

En este ejemplo, un BCM convierte la alimentación trifásica de 208 voltios de CA en 48 voltios de CC para los sistemas informáticos en tierra del dron. Los convertidores reductores ZVS reducen la alimentación de 48 voltios a los 12, 5 y 3.3 voltios que utilizan los distintos dispositivos conectados a tierra. A continuación, un segundo BCM aumenta la tensión de alimentación de 48 voltios CC a 800 voltios para minimizar la caída de voltaje y la pérdida de potencia en el anclaje.

En el zángano, un tercer BCM reduce entonces el voltaje de nuevo a 48 voltios. La red de distribución de energía del dron incluye además convertidores reductores para alimentar cámaras, sensores y dispositivos lógicos con voltajes adecuados.

Los BCM sugeridos para esta aplicación son el BCM4414VD1E5135C02 de Vicor para la conversión inicial de 208 voltios de CA a 48 voltios de CC, y el BCM4414VH0E5035M02 para la conversión de 48 voltios de CC a 800 voltios de CC y viceversa.

El BCM4414VD1E5135C02 funciona con un bus de 260 a 400 voltios y ofrece una salida en el lado bajo de 32.5 a 51.3 voltios. El dispositivo ofrece hasta 35 A de corriente continua en el lado bajo, una densidad de potencia de hasta 49 vatios por centímetro cúbico (^W/cm3) y una eficiencia máxima del 97.7% (Figura 3).

Figura 3: Los módulos convertidores de bus de Vicor ofrecen una buena eficiencia en un amplio rango de corrientes de lado bajo (_TCASE = 25 ˚C). (Fuente de la imagen: Vicor)

El BCM4414VH0E5035M02 funciona con un bus de 500 a 800 voltios y ofrece una salida en el lado bajo de 31.3 a 50.0 voltios, con una potencia continua máxima de 1.5 kW. La corriente continua en el lado bajo, la densidad de potencia y la eficiencia máxima son idénticas a las de su producto hermano. El BCM se presenta en una carcasa de 110.5 x 35.5 x 9.4 milímetros (mm) y pesa 145 gramos (g).

Los BCM Vicor también ofrecen opciones flexibles de gestión térmica con impedancias térmicas muy bajas en las caras superior e inferior. Al utilizar estos dispositivos, el diseñador del sistema de alimentación puede reducir el tamaño y el peso del cable de sujeción, así como la alimentación en tierra y el dron.

Los BCM de Vicor son fuentes de alimentación de CC a CC, por lo que la entrada trifásica inicial de 208 voltios de CA debe convertirse a CC antes de que se instale el primer BCM de la Figura 2. Un dispositivo adecuado para la rectificación de CA es un módulo de ENTRADA DE CA (AIM) Vicor como el AIM1714VB6MC7D5C00 (Figura 4.) El dispositivo AIM puede aceptar una entrada de CA de 85 a 264 voltios y proporcionar una salida de CA rectificada con una corriente de hasta 5.3 A y una potencia de hasta 450 vatios.

Figura 4: El BCM requiere una entrada de CA rectificada. Un dispositivo como el módulo AIM trifásico de Vicor ofrece una solución. (Fuente de la imagen: Vicor)

Regulación reductora con alta densidad de potencia y flexibilidad

Una vez que el BCM de la estación terrestre o del dron ha regulado el voltaje a 48 voltios CC, se necesitan los convertidores de voltaje ZVS para reducir aún más el voltaje de las líneas de suministro a los distintos sistemas. Especialmente en los drones, los convertidores reductores deben presentar una alta densidad de potencia y ser eficientes, de modo que formen una fuente de alimentación compacta y ligera. Los reguladores de conmutación de voltaje cero (ZVS) son idóneos para esta tarea.

Las pérdidas de conmutación en los MOSFET reguladores de voltaje convencionales son una fuente clave de ineficacia y tienen un impacto negativo en la densidad de potencia. La conmutación de voltaje cero (ZVS) resuelve estas pérdidas y supone una ventaja especial para los convertidores reductores que funcionan con una entrada de voltaje relativamente alta.

El mecanismo de ZVS (también conocido como "conmutación suave") es complejo, pero la mejor forma de definirlo es como una conversión de potencia por modulación por ancho de pulsos (PWM) convencional durante el tiempo de conexión del MOSFET, pero con transiciones de conmutación "resonantes". La regulación de la tensión de salida se consigue ajustando el ciclo de trabajo o útil (y por tanto el tiempo de "encendido") variando la frecuencia de conversión del regulador de voltaje.

Durante el tiempo de reposo del interruptor ZVS, el circuito L-C del regulador entra en resonancia, haciendo que la tensión a través del interruptor pase de cero a su valor máximo y vuelva a cero cuando el interruptor puede reactivarse. En el proceso, las pérdidas de transición de los MOSFET del regulador de conmutación son nulas -independientemente de la frecuencia de funcionamiento y la tensión de entrada-, lo que supone un importante ahorro de energía y una mejora sustancial de la eficiencia. (Véase "Revisión de laconmutación de voltajecero y su importancia para la regulación del voltaje").

Vicor fabrica una gama de reguladores reductores ZVS integrados con circuitos de control, semiconductores de potencia y componentes de apoyo en dispositivos LGA, BGA y sistema en paquete (SiP) de alta densidad. Los reguladores de voltaje de conmutación complementan a los BCM utilizados en otras partes del circuito de distribución de energía del dron. Los reguladores reductores ZVS ofrecen una buena densidad de potencia y flexibilidad para la regulación CC-CC de punto de carga (PoL) de alta eficiencia. Pueden utilizarse para reducir eficazmente el bus de 48 voltios a 3.3, 5 y 12 voltios para los demás subsistemas del dron.

Entre los ejemplos de reguladores de voltaje cero (ZVS) se incluye la familia PI352x-00. Los reguladores PI352x-00 solo requieren un inductor externo, dos resistencias de selección de voltaje y un número mínimo de condensadores para formar un regulador de CC-CC conmutado tipo reductor completo. Todos los reguladores funcionan con una entrada de 30 a 60 voltios. Hay tres dispositivos en la familia: el PI3523-00, que proporciona una salida nominal de 3.3 voltios (rango de 2.2 a 4 voltios) y hasta 22 A; el PI3525-00, que proporciona una salida nominal de 5.0 voltios (rango de 4 a 6.5 voltios) y hasta 20 A; y el PI3526-00, que proporciona una salida nominal de 12 voltios (rango de 6.5 a 14 voltios) y hasta 18 A. Los dispositivos se suministran en un Sistema en paquete (SiP) LGA de 10 x 14 x 2.56 mm.

Incorporación de reguladores ZVS a la red de densidad de potencia

Es necesario realizar algunos trabajos de diseño para optimizar el rendimiento de los reguladores buck ZVS en la red de distribución eléctrica de drones. La Figura 5 muestra los componentes externos necesarios para cada miembro de la familia PI352x-00.

Figura 5: El regulador de voltaje reductor ZVS de Vicor requiere un inductor externo, una red divisora de resistencias para ajustar el voltaje de salida, así como condensadores para el filtrado. (Fuente de la imagen: Vicor)

Cada uno de los dispositivos requiere un inductor externo. Vicor ha calculado el valor de inductancia del dispositivo de almacenamiento de energía para maximizar la eficiencia. Para los reguladores PI3523 y PI3525, se recomienda un inductor de 230 nanohenrios (nH), mientras que para usar con el P13526 se recomienda un inductor de 480 nH.

Mientras que cada miembro de la familia PI352x-00 puede manejar directamente la entrada de 48 voltios CC del BCM respectivo (el rango de entrada para los reguladores reductores es de 30 a 60 voltios CC), el ajuste de la tensión de salida requiere la selección de resistencias de salida -REA1 y REA2- que juntas forman una red divisora de resistencias.

Independientemente del voltaje de salida, REA2 debe ajustarse a 1 kilohmio (kΩ) para obtener la mejor inmunidad al ruido. El valor de REA1 puede calcularse a partir de la siguiente fórmula:

Además de los valores de los inductores, Vicor también recomienda los valores de los capacitores C_IN y C_OUT para garantizar una puesta en marcha y un desacoplamiento de alta frecuencia adecuados para la etapa de potencia. La familia PI352x-00 extrae casi toda la corriente de alta frecuencia de sus condensadores cerámicos de baja impedancia cuando los MOSFET de lado alto principales están conduciendo. Entonces, durante el tiempo que los MOSFET están apagados, los capacitores se reponen desde la fuente. La tabla 1 enumera los valores de los capacitores y las corrientes de ondulación y voltajes resultantes.

Tabla 1. Valores recomendados para los condensadores de entrada y salida del P1352x de Vicor a voltaje de línea nominal y recorte nominal. (Fuente del cuadro: Vicor)

Para garantizar una eficiencia óptima y un bajo nivel de interferencias electromagnéticas (EMI) con la familia PI352x-00, es esencial una resistencia de traza mínima y retornos de bucle de alta corriente, junto con una colocación adecuada de los componentes. La figura 6 muestra la disposición recomendada para el regulador y los componentes externos. Esta es la disposición adoptada por la placa de evaluación PI3526-00-EVAL1 PI352x-00.

Figura 6: Disposición óptima del regulador Vicor ZVS, inductor y condensadores de entrada y salida. (Fuente de la imagen: Vicor)

El bucle azul de la Figura 6 indica el estrecho camino entre los condensadores de entrada y salida (y V_IN y V_OUT) para la alta corriente alterna de retorno del regulador, que ayuda a la eficiencia.

Conclusión:

Para optimizar la autonomía y la capacidad de carga de los drones, los ingenieros han recurrido a las correas de sujeción de alta tensión. Minimizan la disipación de potencia y la caída de voltaje en los cables. Sin embargo, los altos voltajes de los cables deben regularse de forma segura y eficiente a voltajes de bus, y luego reducirse aún más a los voltajes de alimentación que necesitan los sistemas electrónicos del dron.

La alta densidad de potencia y los eficientes BCM de Vicor proporcionan una solución fácil de implementar para reducir y aumentar los voltajes entre la estación terrestre, el anclaje y el dron. Los BCM se complementan con convertidores buck ZVS de baja pérdida de conmutación, que ofrecen una eficiencia del 97% al reducir el voltaje de bus a los 3,3, 5 y 12 voltios necesarios para los distintos subsistemas del dron.