用于高可靠性 eVTOL 辅助电源系统的 DC-DC 转换器

电动垂直起降 (eVTOL) 飞机将在我们的天空中变得普遍，一位消息人士估计 2023 年至 2030 年间该市场的复合年增长率将达到惊人的 52% [1]。第一架完全获得美国联邦航空管理局 (FAA) 型式认证的飞机正在路上，例如 Joby Aviation，截至 2024 年 2 月已通过所需五个阶段中的三个阶段 [2]。这是一款配备一名飞行员和四名乘客的空中出租车，有六个旋翼，可以倾斜，以高达 200 英里/小时的速度进行垂直或水平飞行。

飞行汽车概念已经存在了几十年，但现在，向可持续航空的转变正在“推动”市场向前发展。甚至成本也被认为是一种优势，预计客运票价仅为每英里几美元[3]，这使得快速、安静且价格实惠的空中出租车旅行对消费者具有吸引力。

安全是首要问题

没有吸引力的是电动垂直起降飞行器可能出现系统故障——尽管有些设计可以滑翔，但其他设计则不能，而且任何飞行器在垂直飞行阶段都特别容易受到攻击。此外，潜在乘客会对自主操作的行业目标保持警惕——电动垂直起降设计者知道，理论上这比人类飞行员更可靠，但前提是电子系统被证明是稳健的，即使在多次故障之后也是如此。

这一切都意味着冗余和监控必须成为所有系统的核心，从电池到转子、电力转换和配电网络，到飞行控制和导航电子设备。与此同时，飞行器系统必须尽可能小、轻量化和高效，以利用可用电池能量获得最大航程，这是通过更多的电传操纵装置中的电子、电动执行器和电机来实现的，取代了传统设计中的重型机械部件和连杆。

这些冗余组件和系统的可靠性至关重要，欧洲航空安全局 (EASA) 要求 eVTOL 飞机的平均故障间隔时间 (MTBF) 超过 10 亿小时。实际上，这意味着故障率低于 10-9 每飞行小时。例如，这相当于在规定的置信水平下，10,000 架飞机的机队中的每架飞机在 11 个连续飞行年中没有发生灾难性故障。 这对于单个系统来说实际上是不可能实现的，因此在发生故障时需要通过设备冗余进行备份。特别是当电子设备用于飞行控制时，还必须允许出现部分故障——如果由于部件退化而对油门或表面的命令不准确，这可能与完全故障一样危险，因此常见的做法是在线冗余，系统输出在各个阶段相互交叉检查或“投票”。为了获得最高的可靠性，至少可以使用三个冗余系统，因为只有两个冗余系统，如果记录到差异，则不一定知道哪个系统是需要忽略的不准确系统。例如，最初的航天飞机有四个相同的冗余在线飞行控制系统，还有第五个作为进一步的备份。

配电也必须是冗余的

冗余布置不得有任何可能影响所有系统的组件或连接故障模式，其中一个明显的问题是供电和配电网络。 NASA 的一篇论文 [4] 计算出，对于理论上的六座四旋翼飞行器，至少需要三个电池才能满足 10-9 每小时故障率，其中任何两个都足以安全飞行。每个转子还需要四个独立的驱动器和电机，并且能够在任何两个发生故障的情况下安全运行。

可以预期，eVTOL 飞行器中的电力分配将全部为直流，主电池电压相对较高，高功率 DC-DC 转换器可产生 24 或 28V 的较低电压总线，或者用于特定设备的电压，例如作为灯。进一步的板级 DC-DC 将为电子设备提供端电压。在配电和DC-DC转换架构上有安排上的选择；冗余系统可以完全隔离，以确保没有常见的故障模式，但这有一个缺点，即单个电源轨故障会导致整个系统瘫痪，迫使系统立即、预防性、紧急着陆，以防其余系统的任何部分发生第二次故障。系统。或者，可以在不同点对电源进行“二极管门控”，这样，如果一条路径发生故障，其他路径将分担负载，下游电子设备将继续正常运行。然后，飞行员可能会决定继续，因为他知道哪个部分发生了故障以及它有多严重。然而，这种布置在很大程度上依赖于监控来发出组件发生故障的信号，并且重要的是，监控电路本身必须经过仔细设计，以免形成单点故障。还必须定期进行练习以检查其功能是否正确。门控方法还意味着每个电源轨和任何 DC-DC 转换都必须能够提供其电流份额以及任何故障单元的电流，因此每个电源轨和任何 DC-DC 转换都必须能够提供其正常运行负载的超大尺寸。这是可能无法接受的成本、尺寸和重量开销。但好处是，在正常情况下，如果共享电流，每个 DC-DC 的负载将会更轻，从而有助于延长转换器的使用寿命并提高可靠性。 图1 显示了一个系统，其中 DC-DC 转换器配有门控电源轨，并具有电流共享监控和信号发送功能。

图 1：用于门控辅助电源的 DC-DC 转换器，以实现最大可用性

在这种情况下，监控必须能够智能地检测每个 DC-DC 输出是否有效以及选通二极管是否出现短路故障，否则这些情况可能不会被注意到。如果发生这种情况，由于输出接地短路而发生故障的 DC-DC 将拖累图 1 示例中两个飞行控制系统的电源。在图中，如果“飞行控制”块的输入短路，这也会关闭两个 DC-DC 输出，因此每条电源线都需要保险丝或断路器。

运行环境

作为一种新的应用，电动垂直起降飞行器中的电子设备操作环境没有历史标准，例如汽车或传统航空电子设备的标准。然而，这确实意味着不一定需要满足遗留要求，例如，现有的航空电子标准允许电源轨上出现“负载突降”的高能量瞬变，但在 eVTOL 应用中，这些可以被“设计”为不存在。然而，一定程度的滤波和瞬态保护将会存在。电源轨质量标准可能基于最严格的军事要求，例如 MIL-STD-704F 和 MIL-STD-1275，以及商定的排除项，以及针对 EMC 的 MIL-STD-461。

物理环境可能相对恶劣，存在冲击、振动和碰撞效应，工作温度范围和热冲击可能很严重。可以使用 DO-160，航空无线电技术委员会出版的“机载设备的环境条件和测试程序”。

电源转换器的冷却可能依赖于通过基板到飞行器框架的传导，因为风扇太不可靠，对流冷却水平难以保证，并且需要更大的 DC-DC 外壳尺寸。无论如何，DC-DC 都需要高效、尽可能最小的尺寸、通过最小内部温升和最小能量浪费实现最高可靠性。随着工作海拔、湿度和空气质量的变化，封装部件自然会成为首选。

eVTOL 飞行器中板载 DC-DC 转换的示例解决方案

虽然将电池电压降低至 24V 或 28V 总线的主要高功率 DC-DC 可能是定制设计，但下游板安装 DC-DC 可以从现成部件中选择。 图2 显示了使用 Gaia 转换器 [4] 部件的布置，Gaia 转换器在向高可靠性市场提供电源转换产品方面拥有长期经验。 EMC 滤波器（部件为 FGDS12A100）符合军用标准 MIL-STD-461，而预调节器模块 LHUG150 则根据 MIL-STD-1275 衰减尖峰和浪涌，同时通过外部电容器的电源骤降提供主动保持。无论输入如何，它都会保持“升压”至高电压。该模块在 9-60VDC 标称电压下可处理高达 150W 的总负载，并具有反极性保护、浪涌控制和软启动功能。还为下游转换器生成两个反相的同步信号。

图2：用于符合通用航空电子标准的 eVTOL 应用的板载 DC-DC 示例系统

所示的终端负载 DC-DC 转换器来自 Gaia 的紧凑型 MGD 系列，额定功率为 4 至 500W。该封装部件适用于冷板冷却，并具有远程感应、电压微调、开关功能以及安全保护功能，包括输出过压和过流、过温和输入欠压。隔离电压为1500VDC。

结论

eVTOL 动力系统架构尚未明确定义，并且可能的配置多种多样，从小型无人机到多座客机，可能永远不会有一个标准。然而，使用 Gaia 转换器等供应商提供的模块化、可扩展 DC-DC 及其在高可靠性市场中的跟踪记录和认证，可以带来经济、安全和可靠的解决方案。