電動垂直起降 (eVTOL) 飛機將在我們的天空中變得普遍，一位消息人士估計 2023 年至 2030 年間該市場的復合年增長率將達到驚人的 52% [1]。第一架完全獲得美國聯(lián)邦航空管理局 (FAA) 型式認證的飛機正在路上，例如 Joby Aviation，截至 2024 年 2 月已通過所需五個階段中的三個階段 [2]。這是一款配備一名飛行員和四名乘客的空中出租車，有六個旋翼，可以傾斜，以高達 200 英里/小時的速度進行垂直或水平飛行。

飛行汽車概念已經存在了幾十年，但現(xiàn)在，向可持續(xù)航空的轉變正在“推動”市場向前發(fā)展。甚至成本也被認為是一種優(yōu)勢，預計客運票價僅為每英里幾美元[3]，這使得快速、安靜且價格實惠的空中出租車旅行對消費者具有吸引力。

安全是首要問題

沒有吸引力的是電動垂直起降飛行器可能出現(xiàn)系統(tǒng)故障——盡管有些設計可以滑翔，但其他設計則不能，而且任何飛行器在垂直飛行階段都特別容易受到攻擊。此外，潛在乘客會對自主操作的行業(yè)目標保持警惕——電動垂直起降設計者知道，理論上這比人類飛行員更可靠，但前提是電子系統(tǒng)被證明是穩(wěn)健的，即使在多次故障之后也是如此。

這一切都意味著冗余和監(jiān)控必須成為所有系統(tǒng)的核心，從電池到轉子、電力轉換和配電網絡，到飛行控制和導航電子設備。與此同時，飛行器系統(tǒng)必須盡可能小、輕量化和高效，以利用可用電池能量獲得最大航程，這是通過更多的電傳操縱裝置中的電子、電動執(zhí)行器和電機來實現(xiàn)的，取代了傳統(tǒng)設計中的重型機械部件和連桿。

這些冗余組件和系統(tǒng)的可靠性至關重要，歐洲航空安全局 (EASA) 要求 eVTOL 飛機的平均故障間隔時間 (MTBF) 超過 10 億小時。實際上，這意味著故障率低于 10-9 每飛行小時。例如，這相當于在規(guī)定的置信水平下，10,000 架飛機的機隊中的每架飛機在 11 個連續(xù)飛行年中沒有發(fā)生災難性故障。 這對于單個系統(tǒng)來說實際上是不可能實現(xiàn)的，因此在發(fā)生故障時需要通過設備冗余進行備份。特別是當電子設備用于飛行控制時，還必須允許出現(xiàn)部分故障——如果由于部件退化而對油門或表面的命令不準確，這可能與完全故障一樣危險，因此常見的做法是在線冗余，系統(tǒng)輸出在各個階段相互交叉檢查或“投票”。為了獲得最高的可靠性，至少可以使用三個冗余系統(tǒng)，因為只有兩個冗余系統(tǒng)，如果記錄到差異，則不一定知道哪個系統(tǒng)是需要忽略的不準確系統(tǒng)。例如，最初的航天飛機有四個相同的冗余在線飛行控制系統(tǒng)，還有第五個作為進一步的備份。

配電也必須是冗余的

冗余布置不得有任何可能影響所有系統(tǒng)的組件或連接故障模式，其中一個明顯的問題是供電和配電網絡。 NASA 的一篇論文 [4] 計算出，對于理論上的六座四旋翼飛行器，至少需要三個電池才能滿足 10-9 每小時故障率，其中任何兩個都足以安全飛行。每個轉子還需要四個獨立的驅動器和電機，并且能夠在任何兩個發(fā)生故障的情況下安全運行。

可以預期，eVTOL 飛行器中的電力分配將全部為直流，主電池電壓相對較高，高功率 DC-DC 轉換器可產生 24 或 28V 的較低電壓總線，或者用于特定設備的電壓，例如作為燈。進一步的板級 DC-DC 將為電子設備提供端電壓。在配電和DC-DC轉換架構上有安排上的選擇；冗余系統(tǒng)可以完全隔離，以確保沒有常見的故障模式，但這有一個缺點，即單個電源軌故障會導致整個系統(tǒng)癱瘓，迫使系統(tǒng)立即、預防性、緊急著陸，以防其余系統(tǒng)的任何部分發(fā)生第二次故障。系統(tǒng)?；蛘?，可以在不同點對電源進行“二極管門控”，這樣，如果一條路徑發(fā)生故障，其他路徑將分擔負載，下游電子設備將繼續(xù)正常運行。然后，飛行員可能會決定繼續(xù)，因為他知道哪個部分發(fā)生了故障以及它有多嚴重。然而，這種布置在很大程度上依賴于監(jiān)控來發(fā)出組件發(fā)生故障的信號，并且重要的是，監(jiān)控電路本身必須經過仔細設計，以免形成單點故障。還必須定期進行練習以檢查其功能是否正確。門控方法還意味著每個電源軌和任何 DC-DC 轉換都必須能夠提供其電流份額以及任何故障單元的電流，因此每個電源軌和任何 DC-DC 轉換都必須能夠提供其正常運行負載的超大尺寸。這是可能無法接受的成本、尺寸和重量開銷。但好處是，在正常情況下，如果共享電流，每個 DC-DC 的負載將會更輕，從而有助于延長轉換器的使用壽命并提高可靠性。 圖1 顯示了一個系統(tǒng)，其中 DC-DC 轉換器配有門控電源軌，并具有電流共享監(jiān)控和信號發(fā)送功能。

圖 1：用于門控輔助電源的 DC-DC 轉換器，以實現(xiàn)最大可用性

在這種情況下，監(jiān)控必須能夠智能地檢測每個 DC-DC 輸出是否有效以及選通二極管是否出現(xiàn)短路故障，否則這些情況可能不會被注意到。如果發(fā)生這種情況，由于輸出接地短路而發(fā)生故障的 DC-DC 將拖累圖 1 示例中兩個飛行控制系統(tǒng)的電源。在圖中，如果“飛行控制”塊的輸入短路，這也會關閉兩個 DC-DC 輸出，因此每條電源線都需要保險絲或斷路器。

運行環(huán)境

作為一種新的應用，電動垂直起降飛行器中的電子設備操作環(huán)境沒有歷史標準，例如汽車或傳統(tǒng)航空電子設備的標準。然而，這確實意味著不一定需要滿足遺留要求，例如，現(xiàn)有的航空電子標準允許電源軌上出現(xiàn)“負載突降”的高能量瞬變，但在 eVTOL 應用中，這些可以被“設計”為不存在。然而，一定程度的濾波和瞬態(tài)保護將會存在。電源軌質量標準可能基于最嚴格的軍事要求，例如 MIL-STD-704F 和 MIL-STD-1275，以及商定的排除項，以及針對 EMC 的 MIL-STD-461。

物理環(huán)境可能相對惡劣，存在沖擊、振動和碰撞效應，工作溫度范圍和熱沖擊可能很嚴重。可以使用 DO-160，航空無線電技術委員會出版的“機載設備的環(huán)境條件和測試程序”。

電源轉換器的冷卻可能依賴于通過基板到飛行器框架的傳導，因為風扇太不可靠，對流冷卻水平難以保證，并且需要更大的 DC-DC 外殼尺寸。無論如何，DC-DC 都需要高效、盡可能最小的尺寸、通過最小內部溫升和最小能量浪費實現(xiàn)最高可靠性。隨著工作海拔、濕度和空氣質量的變化，封裝部件自然會成為首選。

eVTOL 飛行器中板載 DC-DC 轉換的示例解決方案

雖然將電池電壓降低至 24V 或 28V 總線的主要高功率 DC-DC 可能是定制設計，但下游板安裝 DC-DC 可以從現(xiàn)成部件中選擇。 圖2 顯示了使用 Gaia 轉換器 [4] 部件的布置，Gaia 轉換器在向高可靠性市場提供電源轉換產品方面擁有長期經驗。 EMC 濾波器（部件為 FGDS12A100）符合軍用標準 MIL-STD-461，而預調節(jié)器模塊 LHUG150 則根據 MIL-STD-1275 衰減尖峰和浪涌，同時通過外部電容器的電源驟降提供主動保持。無論輸入如何，它都會保持“升壓”至高電壓。該模塊在 9-60VDC 標稱電壓下可處理高達 150W 的總負載，并具有反極性保護、浪涌控制和軟啟動功能。還為下游轉換器生成兩個反相的同步信號。

圖2：用于符合通用航空電子標準的 eVTOL 應用的板載 DC-DC 示例系統(tǒng)

所示的終端負載 DC-DC 轉換器來自 Gaia 的緊湊型 MGD 系列，額定功率為 4 至 500W。該封裝部件適用于冷板冷卻，并具有遠程感應、電壓微調、開關功能以及安全保護功能，包括輸出過壓和過流、過溫和輸入欠壓。隔離電壓為1500VDC。

結論

eVTOL 動力系統(tǒng)架構尚未明確定義，并且可能的配置多種多樣，從小型無人機到多座客機，可能永遠不會有一個標準。然而，使用 Gaia 轉換器等供應商提供的模塊化、可擴展 DC-DC 及其在高可靠性市場中的跟蹤記錄和認證，可以帶來經濟、安全和可靠的解決方案。