eng
Выпуск #6/2025
Т. Гайказьян
ПРИВЯЗНЫЕ ДРОНЫ И РОЛЬ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ DC/DC-ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ SMARTPOWER В ОБЕСПЕЧЕНИИ СТАБИЛЬНОГО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ
ПРИВЯЗНЫЕ ДРОНЫ И РОЛЬ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ DC/DC-ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ SMARTPOWER В ОБЕСПЕЧЕНИИ СТАБИЛЬНОГО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ
Просмотры: 1104
DOI: 10.22184/1992-4178.2025.247.6.98.102
Рассматриваются особенности применения привязных дронов – летательных аппаратов, получающих электроэнергию от наземного источника через кабель. Особое внимание уделено роли высоковольтных DC/DC-преобразователей SmartPower в обеспечении эффективного электропитания бортовых систем.
Рассматриваются особенности применения привязных дронов – летательных аппаратов, получающих электроэнергию от наземного источника через кабель. Особое внимание уделено роли высоковольтных DC/DC-преобразователей SmartPower в обеспечении эффективного электропитания бортовых систем.
Теги: dc/dc converters dc/dc-преобразователи ground power station smartpower modules tethered drones модули smartpower наземная станция питания привязные дроны
Привязные дроны и роль высоковольтных DC/DC-преобразователей SmartPower
в обеспечении стабильного электропитания
Т. Гайказьян
В статье рассматриваются особенности применения привязных дронов – летательных аппаратов, получающих электроэнергию от наземного источника через кабель. Особое внимание уделено роли высоковольтных DC/DC-преобразователей SmartPower в обеспечении стабильного и эффективного электропитания бортовых систем дронов. Описаны технические преимущества преобразователей, включая высокую надежность, компактность и способность работать в широком диапазоне входных напряжений.
П ривязные дроны – это беспилотные летательные аппараты (БПЛА), получающие энергию через кабель, соединяющий их с наземной станцией питания. Такая конструкция позволяет отказаться от традиционных бортовых аккумуляторов, обеспечивая практически неограниченное время автономной работы. Однако передача энергии по кабелю сопряжена с техническими сложностями, такими как минимизация потерь, стабилизация напряжения и защита электроники дрона. На помощь приходят высоковольтные DC/DC-преобразователи, такие как решения от компании SmartPower, которые обеспечивают эффективное распределение энергии даже при входных напряжениях 400 В и выше. В статье рассматривается устройство таких систем, анализируются параметры, критичные для их работы, и новые возможности для промышленного и военного применения дронов.
Принцип работы привязных дронов
и роль наземных станций питания
Привязные дроны (рис. 1) отличаются от автономных аппаратов тем, что их энергия поступает не из батарей, а через кабель, соединенный с наземной станцией питания (рис. 2). Такая система позволяет решить проблему ограниченного времени полета, характерного для дронов с литий-полимерными аккумуляторами, и исключает необходимость частой замены источников энергии. Однако передача энергии по кабелю сопряжена с двумя ключевыми задачами.
Минимизация потерь на нагрев. При высоком токе даже небольшое сопротивление кабеля вызывает значительные тепловые потери (P = I2R).
Обеспечение стабильного напряжения. Длина кабеля (до нескольких сотен метров) может приводить к падению напряжения, что критично для работы бортовой электроники.
Решением этих задач становится использование высоковольтных источников питания на земле. Одно из решений, когда наземная станция преобразует 220 В переменного тока в постоянный, поднимая напряжение до 400–800 В и выше. Это компенсирует потери в длинных кабелях и обеспечивает стабильное питание для привязных дронов. Так же существуют наземные станции с большим выходным напряжением.
Почему выбирают высокое напряжение?
Переход на высокое напряжение (HV) в привязных системах обусловлен законом Ома (P = U·I). При фиксированной мощности увеличение напряжения позволяет снизить ток, что дает следующие преимущества:
Однако HV-системы требуют усиленной изоляции и защиты от коронного разряда, особенно в условиях вибраций и перепадов температур.
Для управления такими напряжениями необходимы специализированные DC/DC-преобразователи, способные работать в широком диапазоне входных напряжений.
Роль DC/DC-преобразователей
в HV-системах привязных дронов
Основные задачи DC/DC-преобразователи в привязных дронах приведены ниже.
Понижение напряжения до уровней, безопасных для электроники. Бортовые системы (автопилот, камеры, сенсоры) обычно работают на 5–24 В, тогда как напряжение на кабеле может достигать 800–1 600 В. Преобразователи снижают напряжение с минимальными потерями, обеспечивая КПД до 97%.
Гальваническая изоляция. В боевых или промышленных дронах изоляция защищает электронику от электромагнитных помех (ЭМП) и коротких замыканий.
Стабилизация напряжения. При изменении нагрузки (например, резком маневре) напряжение на кабеле может колебаться. DC/DC-преобразователи поддерживают стабильный уровень, предотвращая сбои в работе навигационных систем или камер.
Модульная архитектура. Модульные преобразователи позволяют создавать распределенные системы, где каждый компонент (двигатель, сенсор, коммуникационный модуль) получает питание через отдельный преобразователь. Это повышает отказоустойчивость: выход из строя одного узла не влияет на остальные системы.
Решения от компании SmartPower
для HV-привязных систем
Компания SmartPower предлагает решения, адаптированные для высоковольтных систем в беспилотных технологиях. Линейка преобразователей в формате Brick обеспечивает высокую выходную мощность и компактность, что делает их идеальными для применения в профессиональных БПЛА.
Рассмотрим модули DDHV203 и DDHV303 с фиксированным коэффициентом выходного напряжения 8:1 на 2 и 3 кВт соответственно. Данные модули выполнены в формате ¼ brick (рис. 3), открытого исполнения с габаритными размерами 63,5 × 36 × 12,4мм. Обладают малым весом, что критично для БПЛА. В табл. 1 представлены основные характеристики модулей.
Для более высоковольтных и мощных наземных станций компания SmartPower предлагает решения на базе 1,4–3,6 кВт модулей DDHV403 с регулируемым выходным напряжением, выполненных в корпусе ½ brick (рис. 4). Основные характеристики модулей представлены в табл. 2.
Надо отметить, что наличие модуля на 1 600 В входного напряжения, с регулируемым выходным напряжением 48 В, выполненного в форм-факторе full-brick (рис. 5).
Габаритные размеры 120 × 61 × 15 мм и малый вес модулей (до 225 г) для использования в БПЛА. Для увеличения мощности поддерживаются до 10 параллельных модулей. Основные характеристики представлены в табл. 3.
Такие решения находят применение в привязных дронах для мониторинга инфраструктуры, где требуется надежное распределение мощности между двигателями и полезной нагрузкой, а также в боевых БПЛА, где критично быстрое перераспределение энергии между
системами.
Соответствие преобразователей SmartPower критичным параметрам
для привязных дронов
При использовании высоковольтных DC/DC-преобразователей в привязных дронах необходимо учитывать ключевые параметры, которые определяют надежность, эффективность и совместимость системы. Эти параметры должны соответствовать специфике эксплуатации дронов, включая требования к массе, компактности, устойчивости к вибрациям и электромагнитным помехам. Ниже рассмотрены основные характеристики бортовых источников питания SmartPower.
Диапазон входного напряжения
Привязные дроны получают энергию через кабель от наземной станции, где напряжение может варьироваться от 400 до 1600 В. DC/DC-преобразователи SmartPower поддерживают широкий диапазон входных напряжений, чтобы компенсировать потери в кабеле и колебания нагрузки.
Выходное напряжение и его стабилизация
Бортовая электроника (автопилот, камеры, сенсоры) требует стабильного напряжения в пределах 5–48 В.
DC/DC-преобразователи SmartPower обеспечивают точную регулировку выходного напряжения с отклонением не более ±1–2%, даже при резких изменениях нагрузки. Это достигается за счет использования обратной связи и подстроечных резисторов.
Гальваническая изоляция
В боевых или промышленных дронах изоляция между входом и выходом преобразователя защищает электронику от электромагнитных помех (ЭМП) и коротких замыканий. Преобразователи SmartPower поддерживают уровень изоляции до 4 000 В.
Защита от перегрузок и перегрева
Привязные дроны работают в условиях переменной нагрузки (например, при маневрах или изменении высоты полета). DC/DC-преобразователи SmartPower оснащены защитой от перегрузки по току (OCP), которая ограничивает ток при превышении установленного порога.
Частота переключения
и массогабаритные параметры
Для минимизации размеров и массы преобразователи SmartPower используют высокочастотные топологии (до 1 МГц). Это позволяет применять компактные реактивные элементы, снижая общий вес системы.
Электромагнитная совместимость (ЭМС)
В условиях высоких напряжений и токов преобразователи должны минимизировать излучаемые и проводимые помехи. Для этого применяются фильтры нижних частот, экранирование и оптимизация топологии печатных плат. В привязных дронах это критично для стабильной работы навигационных систем и камер.
Диапазон рабочих температур
Бортовые преобразователи SmartPower сохраняют работоспособность при экстремальных температурах (от -55 до 85 °C). Это особенно важно для дронов, эксплуатируемых в суровых климатических условиях или при длительных полетах в высотных зонах.
Параллельная работа и модульность
Для повышения надежности и увеличения общей мощности преобразователи SmartPower поддерживают параллельное включение до 10 модулей. Это позволяет:
равномерно распределять нагрузку между модулями;
обеспечивать отказоустойчивость, то есть выход из строя одного модуля не влияет на остальные.
Динамическая реакция на изменения
нагрузки
При резких изменениях нагрузки (например, запуске двигателей или активации боевого модуля) преобразователь SmartPower способен быстро восстанавливать стабильное выходное напряжение. Для этого используются быстродействующие контроллеры с временем отклика менее 100 мкс.
КПД и тепловые потери
Высокий КПД минимизирует тепловые потери, что критично для привязных дронов, где перегрев может повлиять на работу бортовой электроники.
Перспективы развития HV-систем в привязных дронах
Будущее за гибридными системами, сочетающими HV-питание с суперконденсаторами для компенсации энергии при импульсных нагрузках. Например, суперконденсаторы могут обеспечивать кратковременную мощность для резких маневров или запуска боевых модулей, снижая нагрузку на наземную станцию.
Кроме того, развитие полупроводников (SiC, GaN) позволит создавать более компактные и эффективные преобразователи с рабочими частотами до 1 МГц и выше. Это снизит массу и размеры систем электропитания, что особенно важно для мини- и микродронов.
***
Характеристики бортовых DC/DC-преобразователей SmartPower для привязных дронов соответствуют строгим техническим требованиям: от входного напряжения и защиты от перегрузок до электромагнитной совместимости и модульности. Их выбор обеспечивает стабильную работу, эффективность и функциональность системы электропитания. При высоких напряжениях (до 1 600 В) особое внимание уделяется гальванической изоляции, термозащите и способности быстро реагировать на скачки нагрузки. Это обеспечивает надежность работы системы электропитания БПЛА в сложных условиях
эксплуатации.
в обеспечении стабильного электропитания
Т. Гайказьян
В статье рассматриваются особенности применения привязных дронов – летательных аппаратов, получающих электроэнергию от наземного источника через кабель. Особое внимание уделено роли высоковольтных DC/DC-преобразователей SmartPower в обеспечении стабильного и эффективного электропитания бортовых систем дронов. Описаны технические преимущества преобразователей, включая высокую надежность, компактность и способность работать в широком диапазоне входных напряжений.
П ривязные дроны – это беспилотные летательные аппараты (БПЛА), получающие энергию через кабель, соединяющий их с наземной станцией питания. Такая конструкция позволяет отказаться от традиционных бортовых аккумуляторов, обеспечивая практически неограниченное время автономной работы. Однако передача энергии по кабелю сопряжена с техническими сложностями, такими как минимизация потерь, стабилизация напряжения и защита электроники дрона. На помощь приходят высоковольтные DC/DC-преобразователи, такие как решения от компании SmartPower, которые обеспечивают эффективное распределение энергии даже при входных напряжениях 400 В и выше. В статье рассматривается устройство таких систем, анализируются параметры, критичные для их работы, и новые возможности для промышленного и военного применения дронов.
Принцип работы привязных дронов
и роль наземных станций питания
Привязные дроны (рис. 1) отличаются от автономных аппаратов тем, что их энергия поступает не из батарей, а через кабель, соединенный с наземной станцией питания (рис. 2). Такая система позволяет решить проблему ограниченного времени полета, характерного для дронов с литий-полимерными аккумуляторами, и исключает необходимость частой замены источников энергии. Однако передача энергии по кабелю сопряжена с двумя ключевыми задачами.
Минимизация потерь на нагрев. При высоком токе даже небольшое сопротивление кабеля вызывает значительные тепловые потери (P = I2R).
Обеспечение стабильного напряжения. Длина кабеля (до нескольких сотен метров) может приводить к падению напряжения, что критично для работы бортовой электроники.
Решением этих задач становится использование высоковольтных источников питания на земле. Одно из решений, когда наземная станция преобразует 220 В переменного тока в постоянный, поднимая напряжение до 400–800 В и выше. Это компенсирует потери в длинных кабелях и обеспечивает стабильное питание для привязных дронов. Так же существуют наземные станции с большим выходным напряжением.
Почему выбирают высокое напряжение?
Переход на высокое напряжение (HV) в привязных системах обусловлен законом Ома (P = U·I). При фиксированной мощности увеличение напряжения позволяет снизить ток, что дает следующие преимущества:
- уменьшение массы кабеля. При напряжении 400 В ток снижается в 16 раз по сравнению с 24 В при той же мощности. Это позволяет использовать более тонкие и легкие провода, что критично для дронов, где каждый грамм важен;
- снижение потерь энергии. Меньший ток уменьшает тепловые потери в кабеле, повышая общую эффективность системы;
- упрощение параллельного подключения. Высокое напряжение упрощает интеграцию нескольких дронов в единую сеть, например, для групповых миссий.
Однако HV-системы требуют усиленной изоляции и защиты от коронного разряда, особенно в условиях вибраций и перепадов температур.
Для управления такими напряжениями необходимы специализированные DC/DC-преобразователи, способные работать в широком диапазоне входных напряжений.
Роль DC/DC-преобразователей
в HV-системах привязных дронов
Основные задачи DC/DC-преобразователи в привязных дронах приведены ниже.
Понижение напряжения до уровней, безопасных для электроники. Бортовые системы (автопилот, камеры, сенсоры) обычно работают на 5–24 В, тогда как напряжение на кабеле может достигать 800–1 600 В. Преобразователи снижают напряжение с минимальными потерями, обеспечивая КПД до 97%.
Гальваническая изоляция. В боевых или промышленных дронах изоляция защищает электронику от электромагнитных помех (ЭМП) и коротких замыканий.
Стабилизация напряжения. При изменении нагрузки (например, резком маневре) напряжение на кабеле может колебаться. DC/DC-преобразователи поддерживают стабильный уровень, предотвращая сбои в работе навигационных систем или камер.
Модульная архитектура. Модульные преобразователи позволяют создавать распределенные системы, где каждый компонент (двигатель, сенсор, коммуникационный модуль) получает питание через отдельный преобразователь. Это повышает отказоустойчивость: выход из строя одного узла не влияет на остальные системы.
Решения от компании SmartPower
для HV-привязных систем
Компания SmartPower предлагает решения, адаптированные для высоковольтных систем в беспилотных технологиях. Линейка преобразователей в формате Brick обеспечивает высокую выходную мощность и компактность, что делает их идеальными для применения в профессиональных БПЛА.
Рассмотрим модули DDHV203 и DDHV303 с фиксированным коэффициентом выходного напряжения 8:1 на 2 и 3 кВт соответственно. Данные модули выполнены в формате ¼ brick (рис. 3), открытого исполнения с габаритными размерами 63,5 × 36 × 12,4мм. Обладают малым весом, что критично для БПЛА. В табл. 1 представлены основные характеристики модулей.
Для более высоковольтных и мощных наземных станций компания SmartPower предлагает решения на базе 1,4–3,6 кВт модулей DDHV403 с регулируемым выходным напряжением, выполненных в корпусе ½ brick (рис. 4). Основные характеристики модулей представлены в табл. 2.
Надо отметить, что наличие модуля на 1 600 В входного напряжения, с регулируемым выходным напряжением 48 В, выполненного в форм-факторе full-brick (рис. 5).
Габаритные размеры 120 × 61 × 15 мм и малый вес модулей (до 225 г) для использования в БПЛА. Для увеличения мощности поддерживаются до 10 параллельных модулей. Основные характеристики представлены в табл. 3.
Такие решения находят применение в привязных дронах для мониторинга инфраструктуры, где требуется надежное распределение мощности между двигателями и полезной нагрузкой, а также в боевых БПЛА, где критично быстрое перераспределение энергии между
системами.
Соответствие преобразователей SmartPower критичным параметрам
для привязных дронов
При использовании высоковольтных DC/DC-преобразователей в привязных дронах необходимо учитывать ключевые параметры, которые определяют надежность, эффективность и совместимость системы. Эти параметры должны соответствовать специфике эксплуатации дронов, включая требования к массе, компактности, устойчивости к вибрациям и электромагнитным помехам. Ниже рассмотрены основные характеристики бортовых источников питания SmartPower.
Диапазон входного напряжения
Привязные дроны получают энергию через кабель от наземной станции, где напряжение может варьироваться от 400 до 1600 В. DC/DC-преобразователи SmartPower поддерживают широкий диапазон входных напряжений, чтобы компенсировать потери в кабеле и колебания нагрузки.
Выходное напряжение и его стабилизация
Бортовая электроника (автопилот, камеры, сенсоры) требует стабильного напряжения в пределах 5–48 В.
DC/DC-преобразователи SmartPower обеспечивают точную регулировку выходного напряжения с отклонением не более ±1–2%, даже при резких изменениях нагрузки. Это достигается за счет использования обратной связи и подстроечных резисторов.
Гальваническая изоляция
В боевых или промышленных дронах изоляция между входом и выходом преобразователя защищает электронику от электромагнитных помех (ЭМП) и коротких замыканий. Преобразователи SmartPower поддерживают уровень изоляции до 4 000 В.
Защита от перегрузок и перегрева
Привязные дроны работают в условиях переменной нагрузки (например, при маневрах или изменении высоты полета). DC/DC-преобразователи SmartPower оснащены защитой от перегрузки по току (OCP), которая ограничивает ток при превышении установленного порога.
Частота переключения
и массогабаритные параметры
Для минимизации размеров и массы преобразователи SmartPower используют высокочастотные топологии (до 1 МГц). Это позволяет применять компактные реактивные элементы, снижая общий вес системы.
Электромагнитная совместимость (ЭМС)
В условиях высоких напряжений и токов преобразователи должны минимизировать излучаемые и проводимые помехи. Для этого применяются фильтры нижних частот, экранирование и оптимизация топологии печатных плат. В привязных дронах это критично для стабильной работы навигационных систем и камер.
Диапазон рабочих температур
Бортовые преобразователи SmartPower сохраняют работоспособность при экстремальных температурах (от -55 до 85 °C). Это особенно важно для дронов, эксплуатируемых в суровых климатических условиях или при длительных полетах в высотных зонах.
Параллельная работа и модульность
Для повышения надежности и увеличения общей мощности преобразователи SmartPower поддерживают параллельное включение до 10 модулей. Это позволяет:
равномерно распределять нагрузку между модулями;
обеспечивать отказоустойчивость, то есть выход из строя одного модуля не влияет на остальные.
Динамическая реакция на изменения
нагрузки
При резких изменениях нагрузки (например, запуске двигателей или активации боевого модуля) преобразователь SmartPower способен быстро восстанавливать стабильное выходное напряжение. Для этого используются быстродействующие контроллеры с временем отклика менее 100 мкс.
КПД и тепловые потери
Высокий КПД минимизирует тепловые потери, что критично для привязных дронов, где перегрев может повлиять на работу бортовой электроники.
Перспективы развития HV-систем в привязных дронах
Будущее за гибридными системами, сочетающими HV-питание с суперконденсаторами для компенсации энергии при импульсных нагрузках. Например, суперконденсаторы могут обеспечивать кратковременную мощность для резких маневров или запуска боевых модулей, снижая нагрузку на наземную станцию.
Кроме того, развитие полупроводников (SiC, GaN) позволит создавать более компактные и эффективные преобразователи с рабочими частотами до 1 МГц и выше. Это снизит массу и размеры систем электропитания, что особенно важно для мини- и микродронов.
***
Характеристики бортовых DC/DC-преобразователей SmartPower для привязных дронов соответствуют строгим техническим требованиям: от входного напряжения и защиты от перегрузок до электромагнитной совместимости и модульности. Их выбор обеспечивает стабильную работу, эффективность и функциональность системы электропитания. При высоких напряжениях (до 1 600 В) особое внимание уделяется гальванической изоляции, термозащите и способности быстро реагировать на скачки нагрузки. Это обеспечивает надежность работы системы электропитания БПЛА в сложных условиях
эксплуатации.
Отзывы читателей
