Преобразователь напряжения для питания проводного беспилотного летательного аппарата

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 26-29-20129

НазваниеПреобразователь напряжения для питания проводного беспилотного летательного аппарата

Руководитель Кучак Сергей Викторович, Кандидат технических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Новосибирский государственный технический университет" , Новосибирская обл

Конкурс №120 - Конкурс 2025 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами» (региональный конкурс)

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-406 - Энергосбережение при передаче и потреблении энергии

Ключевые слова резонансный преобразователь, высокочастотный преобразователь, транзисторы на основе широкозонных полупроводниковых материалов, высокоамперный планарный трансформатор, проводной беспилотный летательный аппарат, высоковольтное звено постоянного тока

Код ГРНТИ45.37.31

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
В настоящее время в различных сферах деятельности широко применяются беспилотные летательные аппараты (БПЛА), которые имеют компактные размеры, содержат большое количество датчиков и аппаратуры и управляются дистанционно и управляются дистанционно. Они используются для фото- и видеосъемки, доставки посылок, мониторинга объектов инфраструктуры. Основным источником питания компактных БПЛА являются аккумуляторные батареи (АКБ). Существенным недостатком АКБ является ограниченный запас энергии, что затрудняет применение аккумуляторных БПЛА в некоторых сферах деятельности. Альтернативным решением является непосредственное проводное подключение БПЛА к наземному источнику питания. Данный способ также позволяет осуществлять проводной обмен информацией, что значительно повышает помехозащищенность. Сферой применения проводных БПЛА является наблюдение, в том числе и за дорожной обстановкой, развертывание мобильной системы связи, обеспечение противовоздушно обороны и др. Для уменьшения влияния реактивного сопротивления проводников, соединяющих БПЛА с источником энергии, передача энергии производится посредством постоянного тока. Ограничением на высоту полета данных БПЛА является длина и масса соединительного кабеля. Масса кабеля может быть уменьшена путем уменьшения сечения проводников за счет снижения токовой загрузки. С этой целью напряжение в звене постоянного тока необходимо повышать до уровня 600 – 800 В, что позволяет применять одноуровневые полупроводниковые преобразователи с достаточным запасом по напряжению. Уровень напряжения бортового питания БПЛА обычно составляет десятки вольт. Применение высоковольтной линии постоянного тока на входе требует установки понижающих преобразователей постоянного напряжения, обязательным элементом которых являются моточные элементов (трансформаторы и/или дроссели). Это приводит к увеличению массы и размеров преобразователя, а также потерь мощности, и как следствие к снижению его энергоэффективности. Таким образом, разработка компактных энергоэффективных преобразователей напряжения для питания проводных БПЛА является актуальной задачей. В таком случае, целью проекта является разработка компактного энергоэффективного преобразователя напряжения для питания проводного беспилотного летательного аппарата, состоящего из наземной и бортовой части, соединенных высоковольтной линией питания. Для достижения поставленной цели преобразователь должен обладать следующими свойствами: 1. Применение транзисторных ключей на основе широкозонных полупроводников (карбид кремния SiC и нитрид галлия GaN): транзисторы на основе этих материалов обладают меньшими значениями паразитных индуктивностей и емкостей, меньшей величиной напряжения затвор-исток, необходимого для открытия, а также особенностями в проводимости материала, что способствует увеличению частоты коммутации от сотен килогерц до единиц мегагерц. 2. Применение резонансных преобразователей: синусоидальность потребляемого тока позволяет коммутировать силовые ключи при нулевых токах или напряжениях, что способствует снижению коммутационных потерь. 3. Планарная технология изготовления моточных элементов: использование слоев печатной платы в качестве витков обмотки трансформатора позволяет повысить плотность мощности преобразователя, а низкая по величине индуктивность рассеяния способствует увеличению резонансной частоты работы преобразователя. 4. Применение соответствующей системы управления, способной формировать сигналы управления ключами с частотой порядка единиц мегагерц: система управления должна содержать обратную связь по току для возможности автоматической подстройки частоты коммутации ключей под резонансную частоту.

Ожидаемые результаты
Ожидаемым результатом проекта является разработка экспериментального образца преобразователя для питания БПЛА, максимальная мощность потребления которого достигает 1000 Вт. Габаритные размеры преобразователя бортовой части без учета радиатора не должны превышать 50х35х10 мм, что обеспечивает удельную мощности не менее 55 Вт/см3. Представленные размеры носят приблизительный характер. Данные размеры подразумеваются только для экспериментальных образцов, отработка технологии производства позволит уменьшить габаритные размеры. Бортовая часть разрабатываемого преобразователя может быть отнесена к классу Bus converter – нерегулируемых преобразователей, подключаемых между промежуточной шиной питания и нагрузкой. Преобразователи данного класса с аналогичными значениями выходной мощности, входного и выходного напряжения имеют удельную мощность от 0,5 до 50 Вт/см3 [1]. Таким образом, ожидаемые показатели удельной мощности разрабатываемого преобразователя соответствуют мировому уровню. Разработка экспериментального образца позволит отработать технологию изготовления преобразователей для проводных БПЛА, что позволит масштабировать результаты на более высокие уровни мощности. Перспективными уровнями мощности являются 3, 5 и 10 кВт. Кроме того, составные части преобразователя могут найти применение в других сферах деятельности, где требуется преобразование постоянного напряжения в постоянное, а также формирование высоковольтного напряжения из переменного сетевого напряжения: источники питания для центров обработки данных, автомобильного транспорта, аэрокосмических аппаратов. 1. BCM® Bus Converter Module, Vicor Corporation, URL: https://www.vicorpower.com/dc-dc/isolated-fixed-ratio/bus-converter-module, дата обращения: 09.2025.