Risultato ottenuto mediante convertitori DCM DC-DC Vicor per payload più capienti o tempi di volo più lunghi
By Vicor Corporation
Il concetto di UAV (unmanned aerial vehicles) non è del tutto nuovo; i primi veicoli senza pilota furono costruiti durante la prima guerra mondiale. Tuttavia, gli UAV continuano ad evolversi rapidamente poiché produttori innovativi utilizzano la disponibilità di componenti e materiali via via più recenti per ottimizzare ulteriormente i loro prodotti per applicazioni specifiche.
FlyFocus è una di queste società: in FlyFocus sono specializzati nella progettazione e produzione di UAV per il mercato civile e per le forze dell’ordine. Tra le varie applicazioni troviamo il monitoraggio di aree sensibili come confini, centrali elettriche o persino installazioni militari. Tuttavia, i loro prodotti si possono trovare anche in aree e applicazioni diverse, come il monitoraggio delle autostrade e il conteggio dei veicoli, il monitoraggio della folla negli stadi, i disturbi radio e i ripetitori radio.
Sebbene diverse, queste applicazioni condividono la necessità di un requisito comune importante, la durata del volo continuo e i tempi prolungati del volo. Questo requisito è soddisfatto dal prodotto principale di FlyFocus, chiamato CableGuard, ovvero un sistema completo che comprende un UAV collegato ad un cavo, una stazione a terra e un sistema di tracciamento.
L’UAV trascorre la maggior parte della sua vita operativa in modalità ancorata, sospeso ad altezze fino a 70 metri da terra, sopra un’area di interesse. In questa modalità, i suoi motori elettrici e l’elettronica di bordo sono alimentati, tramite il cavo di ancoraggio e filoguida che eroga 400 VDC, dalla stazione a terra. Questa tensione DC è derivata da un ingresso 230 VAC, tipicamente fornito da un gruppo elettrogeno portatile. Di conseguenza, l’UAV può svolgere il suo ruolo di sorveglianza per un tempo praticamente infinito e ha infatti già registrato tempi di volo continui fino a 30 giorni. Nella pratica, tuttavia, si consiglia di far atterrare il veicolo approssimativamente ogni settimana per consentire le ispezioni di manutenzione dei cuscinetti e delle altre parti meccaniche.
Se una delle telecamere dell’UAV rileva un oggetto sospetto, come un’auto in movimento, ad esempio, il cavo può essere immediatamente disconnesso tramite un comando a distanza: un paracadute si apre, e porta in sicurezza il cavo fino a terra, nelle immediate vicinanze della stazione a terra.
Contemporaneamente, l’alimentazione del veicolo viene trasferita alle batterie di bordo senza interruzioni, quindi l’UAV, con l’unico carico della telecamera diurna, può volare e seguire liberamente l’auto di cui sopra per un tempo fino a 30 minuti prima di dover atterrare. Con una configurazione a doppia fotocamera (termica più luce diurna), è possibile un volo libero senza il vincolo del cavo per un tempo limite di 20 minuti. Questi tempi di volo, senza il vincolo del cavo, danno a FlyFocus un vantaggio competitivo per le loro applicazioni di sorveglianza.
Dopo la missione, il veicolo può essere ricollegato alla stazione di terra per continuare il suo compito di sorveglianza.
Con i suoi 5KW, l’UAV è classificato come il più potente disponibile oggi sul mercato con collegamento a cavo. FlyFocus ha utilizzato questa potenza extra per migliorare sia le prestazioni del veicolo che la sua funzionalità. Ha otto motori e può essere portato a terra in tutta sicurezza anche nel caso in cui due dei motori fossero stati disabilitati. Le due telecamere fornite sono una di tipo Full HD con zoom ottico 10x e zoom digitale 4x e l’altra è una telecamera IR 640p per visione notturna con zoom digitale 4x.
L’elevata potenza dell’alimentazione disponibile sul veicolo offre a FlyFocus la possibilità di utilizzare fotocamere di qualità migliore, come quelle termiche ad elevato raffreddamento o fotocamere con zoom migliore. Inoltre, apre una nuova prospettiva per l’aggiunta di diversi moduli di carico, come apparecchiature di telecomunicazione o altre soluzioni specifiche secondo le esigenze dei singoli clienti.
I convertitori DC-DC isolati e regolati Vicor sono stati progettati espressamente nella PDN (power delivery network) dal cavo di collegamento ai motori e all’elettronica dell’UAV. Questi dispositivi hanno contribuito alla capacità di alimentazione dell’UAV CableGuard e al vantaggio competitivo in diversi modi. In primo luogo, la loro capacità di passare direttamente dai 400 VDC alle tensioni operative dell’UAV significa che l’alimentazione può essere fornita attraverso il cavo di collegamento a 400VDC, e questa tensione più alta si traduce in una corrente più bassa e minori perdite I2R. Di conseguenza, è possibile utilizzare un cavo molto più sottile e leggero, il che è sempre un vantaggio in applicazioni aeree come questa.
In secondo luogo, FlyFocus ha riscontrato che la densità di potenza dei DCM superava di gran lunga quella di qualsiasi altro fornitore. Cui va aggiunto il loro efficiente funzionamento, e ciò significava che otto moduli da 600 W potevano essere confezionati in una capsula di dimensioni limitate sotto l’UAV, con solo due dissipatori/ventole, per fornire quasi 5kW di potenza totale per gli otto motori, le due telecamere e l’avionica associata.
FlyFocus può adattare l’implementazione di questa ‘compact power’ per soddisfare le priorità e le preferenze di ogni cliente. Possono, per esempio, ottimizzare i moduli di carico per prestazioni più elevate, come descritto sopra o, in alternativa, possono privilegiare tempi di volo maggiori, grazie al risparmio di peso e volume dei moduli DCM rispetto ai convertitori proposti dai produttori concorrenti. Stimano che il risparmio di peso dei moduli ammonti a circa 1,3 kg, il che contribuisce ad un terzo e fino a metà del considerevole tempo di volo senza cavi dell’attuale UAV.
I moduli si sono dimostrati robusti in termini di prestazioni e di specifiche, dato che FlyFocus non ha subìto neppure un singolo malfunzionamento dei DCM durante i tre anni di utilizzo di questi prodotti.
In che modo i moduli DCM danno il loro contributo?
Con una densità di potenza fino a 1244W/in3, più una potenza nominale fino a 1300 W, e 46,43 A continui, la famiglia DCM di convertitori DC-DC isolati e regolati può funzionare con un’efficienza di picco fino al 96%.
Questa elevata efficienza è dovuta alla sua topologia ZVS (Zero Voltage Switching) ad alta frequenza. Operando da un ingresso non regolato e di ampio spettro, può generare un’uscita isolata, limitata in corrente. Viene inoltre fornita protezione da sovratensione (OV), sovracorrente (OC), sottotensione (UV), cortocircuito e termica.
I moduli DCM sono disponibili nei due package, ChiP (Converter housed in Package) e VIA (Vicor Integrated Adapter). Sfruttando i vantaggi termici e di densità della tecnologia di packaging applicata ai ChiP Vicor, i moduli ChiP DCM offrono opzioni flessibili di gestione termica con impedenze termiche lato superiore e inferiore molto basse. Anche VIA è un package ‘Termicamente Adatto’ che facilita la gestione termica, e non deve essere montato su una scheda a circuito stampato, sebbene abbia opzioni di pinout che lo consentono, ove fosse necessario.
Inoltre, il modulo DCM VIA fornisce un filtro EMI ed una accurata regolazione della tensione di uscita in tutte le condizioni di linea e di carico, ed una interfaccia di controllo con riferimento al secondario per Enable, trim, e al contempo mantiene i vantaggi di progettazione fondamentali propri dell’architettura brick convenzionale.
Il convertitore fornisce prestazioni del sistema di potenza e connettività di livello superiore da una varietà di fonti di alimentazione, non regolate, al point of load. Inoltre, è possibile assemblare array con fino a otto unità senza che si verifichino declassamenti di potenza.
Poiché i sistemi di potenza Vicor sono basati su moduli, FlyFocus può soddisfare tali requisiti più rapidamente e facilmente rispetto al progettare partendo invece dai componenti per ogni nuova implementazione o provando a modificare un preesistente progetto basato su componenti.
Ciò nonostante, le specifiche DCM non sono l’unico motivo per cui FlyFocus ha scelto Vicor, e questa collaborazione continua ad essere molto stretta ed attiva: “Per esempio, il livello del supporto è una questione particolarmente importante per noi”, ha affermato Julian Zyromski, Vice President di FlyFocus, “Acquistiamo tipi di meccanica e componenti elettronici sempre diversi, per progetti sofisticati e personalizzati e, prima o poi per tutti avremo bisogno di assistenza”.
“Infatti, anche dopo aver identificato il componente più interessante sul mercato per una particolare applicazione, non siamo subito pronti ad acquistarlo, a meno che non siamo convinti che la qualità del supporto tecnico non sia all’altezza delle sue specifiche tecniche”.
“Il supporto di Vicor non è limitato ai converter in se. In FlyFocus infatti abbiamo dovuto progettare un circuito per rafforzare la stabilizzazione della tensione DCM. Ciò serve a ridurre la loro suscettibilità alle elevate correnti di spunto causate dall’apertura completa dell’acceleratore da parte dell’operatore o dalla risposta alle raffiche di vento. La documentazione Vicor, i consigli e suggerimenti dei loro ingegneri si sono rivelati molto utili nello sviluppo di questo circuito”.
“Indirettamente, i moduli Vicor ci aiutano anche con il sales & marketing FlyFocus. Infatti, grazie a questi, FlyFocus ha costruito un minuscolo UAV dimostrativo che può essere utilizzato in sicurezza anche in eventi con pubblico come mostre ed esposizioni, anche al chiuso. Pesa solo 60 grammi e misura solo 10 x 10 cm”.
Figura 3 UAV demo utilizzante un ZVS buck
Un attento sguardo al background di FlyFocus offre una buona comprensione dei motivi per i quali sono così impegnati sia in progetti personalizzati che prodotti standard. L’azienda è stata originariamente fondata da un gruppo di amici amanti dell’aviazione, che si riunivano per le gare di aeromodellismo. Anche adesso, lo staff principale comprende solo otto membri, mentre altri sono impegnati “secondo necessità”.
L’azienda ha solide collaborazioni con molte delle forze dell’ordine e forze speciali di polizia in tutta Europa, e realizza anche progetti speciali per applicazioni militari. Un tipico esempio è stato un aeroplano ad ala fissa, altamente personalizzato, dal peso di 150 kg e che poteva viaggiare fino a 500km di distanza e tornare indietro.
L’espansione di FlyFocus verso la tecnologia UAV (o drone) multirotore, inclusa in CableGuard, è stata facilitata da un investitore che voleva che producessero questo tipo di prodotto. Avendo sviluppato CableGuard come il primo drone filoconnesso rimovibile sul mercato civile, FlyFocus, con la sua forte enfasi sulla personalizzazione, sta ora creando soluzioni specialistiche per molte applicazioni diverse. Continuano anche con evoluzioni nello sviluppo del prodotto, ad esempio con una versione a quattro motori di CableGuard, per operazioni di volo “super silenziose”.
Conclusioni
I droni collegati a cavo sono adatti per molte sofisticate applicazioni civili, nonché ad altre per le forze dell’ordine, la polizia, e persino per il controllo delle frontiere. I produttori, per rimanere competitivi, devono offrire tempi di volo sempre più lunghi e droni sempre più potenti, ma proprio la potenza può essere limitata dallo spazio disponibile a bordo del veicolo per l’elettronica necessaria alla conversione di potenza, il raffreddamento, necessario anch’esso, e dalle dimensioni e dal peso del cavo utilizzato per collegamento.
I moduli DCM di Vicor consentono a FlyFocus di avere successo in questo mercato fortemente competitivo. La loro elevata tensione DC di ingresso facilita l’uso di cavi di collegamento più sottili e più leggeri, mentre la loro elevata efficienza e densità di potenza consente di stipare molti moduli in uno spazio minimo. Inoltre il peso dei moduli di potenza è ridotto al minimo, consentendo tempi di volo senza vincoli più lunghi, e al contempo è disponibile più spazio e più potenza, sufficienti per il sollevamento e il funzionamento di un carico utile ad alte prestazioni.
