有線ドローンを飛ばすVicorのDCM

長いケーブルで電力を供給するアプリケーションは数多くあります。コストと重量を最小限に抑えるためには、ケーブルの導体サイズと電力損失、絶縁材の厚さと重量、機器内のコンバータサイズと重量などのバランスを考慮し、最適な供給電圧を見つけなくてはなりません。有線ドローンにおいて重量を減らすことは極めて重要です。このホワイトペーパーでは、Vicorの絶縁型DC-DCコンバータであるDCMを用いて、この厳しい要件に対応する方法を紹介します。

ドローン革命

近年、ドローン’（UAV：無人航空機）は、軍事目的だけでなく商用目的に用いられることが増えています。ドローンの導入により、これまで以上に効果的に空を利用できるようになります。例えば、リアルタイムのビデオ・ストリーミングで、遠隔地のドローンが目や耳となってパソコンやスマートフォンにデータを送る、いわば人の感覚器官の転送と言える使い方があります。ドローンの性能向上に伴い、これまで有人車両や徒歩を利用していた個人向けの荷物配送にも、ドローンが参入しています。空を移動することで配送範囲が広がり、起伏の激しい地形や、洪水などによりアクセスが困難な場所への配送が可能になります。また、荷物を運ぶだけでなく、環境ガスや気圧、湿度、その他の物理的パラメータ分析するためのセンサーを搭載することもできます。軍事やセキュリティ産業の現場では、正体不明の物体の動きを追跡したり、観察・調査したりすることは、すでにドローンの主要な役割として確立しています。

有線ドローン

ドローンといえば、充電可能なバッテリ―駆動のリモコン飛行機を指すことが多いですが、飛行する空間が限られる場合は、ケーブルを用いて給電することで、飛行時間を無制限にのばすことができます。有線ドローンは、無人航空システム（UAS：Unmanned Aerial System）とも呼ばれ、地上に繋がれたケーブルを通して電力供給を受けます。制御と観測のデータもこのケーブルを使って通信可能ですが、バッテリー駆動のドローンのようにワイヤレス通信にすることもできます。バッテリー駆動の場合、ドローン本体がバッテリーの放電状態を常に監視する必要がありますが、有線であれば供給される直流電力は当然安定しているためその必要はありません。

UAS の電源システム

UASのベースステーションにより、有線ドローンは電力供給を受けます。世界中で運用することを考えると、有線ドローンに安定したDCバス電圧を供給するために、様々なACおよびDC電圧の電源ネットワークに対応する給電システムを構築する必要があります。プロペラの回転や操縦翼の動作に変調をきたし、ドローンの飛行位置に影響が出るのを避けるため、電源ラインの乱れや変動を安定化する必要があります。

ベースステーションの電源が送電系統から独立している場合、例えば車両や船舶などから電力供給しているときは、ロードダンプなどの過渡現象が発生することがあります。これらの過渡現象により電力供給が乱れたり途切れたりする可能性があるため、大抵はドローン本体に非常用バッテリーが搭載されており、最大高度からでも着陸が可能な電力が確保されます。そのためドローンには、ケーブルから入力される電力を安定化してドローンに搭載したバッテリーを管理するための電源が必要です。

ドローンに給電する電源の設計では、最適な電圧範囲を選ぶことが重要です。ドローンへ給電する電圧を、低電圧（LV、1500VDC以下）か安全特別低電圧（SELV、60VDC以下）のどちらにするか選ぶことになります。ベースステーションからSELV電圧を供給する場合、危険な電圧は存在しないので、ケーブルは絶縁層を薄くして比較的軽量にすることができます。ただし、SELV電圧で大電力を送電する場合は大電流になります。電力損失と発熱を低減するためには太い導体のケーブルが必要になり、ケーブルが長くなるほど銅の重量とコストも増大します。さらに、ドローン本体の電源に許容される最大のACラインインピーダンスは、電力量によっては低電圧の方が大きくなります。LV電源のUASでは使用する銅が減り、インピーダンスの安定化も簡単になります。しかし、電圧が高くなると、感電の危険があるため高い安全性が求められ、電源ケーブルの絶縁材を厚くしなければなりません。

ケーブルが長くなると、電圧降下も大きくなります。断面積の大きい電源ケーブルを用いると解決できますが、ケーブルの重量はドローンの積載能力に直接影響します。例えば直径1mmの銅ケーブルが10mの場合、絶縁材なしの重さは140gですが、直径2mmになると10mで560gの重量が増えます。ケーブルが重くなると材料コストは上がり、ドローンの動きは鈍くなります。軍事利用などで目立たないことが重要である場合、太いケーブルを使うことは不利になります。重いケーブルを持ち上げるパワーを備えたドローンは、騒音も大きくなり、発見されやすくなるためです。

VicorのDCMを用いたUASの電源システム

UASには高い電圧を使うことが多いですが、Vicor のDCM™ シリーズは、入力電圧をSELVとLVのどちらかの適した電圧選ぶことができるため、UASに理想的です。DCMは絶縁型でレギュレーション機能があるDC-DCコンバータで、ゼロ電圧スイッチング（ZVS）技術の高周波スイッチングを採用しており、極めて高い電力密度を実現しています。入力電圧範囲が広く、絶縁・電圧調整して出力します。

一般的な事例を紹介します。DCMを用いることで、入力電圧範囲が広く、極めて柔軟性の高いシステムを設計することができます。例えばDCM300P240x600A40は、入力電圧範囲200～420VDC、最大電力600W、出力電圧24Vであり、ドローン本体のエネルギー蓄積素子は少なくて済みます。

DCMを使うことで要件変更の対応ができます。最初のシステム要件で、標準の長さのケーブルが設定されているUASアプリケーションで、もしケーブルの長さをのばす必要がある場合、DCMは入力電圧範囲が広いので、ケーブルがのびたことで増える電圧降下に対応することができます。

DCMシリーズのパワーウェイトレシオは極めて優れています。DCM4623は、出力600Wを質量わずか29gで実現しており、LVアプリケーションに最適です。DCモーター1基あたりの重量が軽くなるので、吊り上げ能力（積載能力）が向上します。

DCMは高効率です。コンバータ入力構成は、ダブルクランプZVSアーキテクチャで構成した入力セルを積み上げる方式であり、高電力密度の実現に寄与しています。入力セルを積み重ねることで、高耐圧FETより高い性能指数を持つ低耐性FETを安全に使うことができます。

UASの一般的なアプリケーション事例を、ホワイトボードデザインで紹介します。ここではドローンには複数のDCMが搭載され、長いケーブル（30m）を通して高電圧を受電し、モーターとバッテリーに安定した電力が供給されます。