Электрический преобразователь мегаваттного диапазона для перспективных гибридных летательных аппаратов
Ключевые слова:
активный выпрямитель, гибридная силовая установка, модульный преобразователь, электрические летательные аппараты
Аннотация
В области «зеленой» авиации разрабатываются различные концепции электрической части гибридных силовых установок для летательных аппаратов с целью достижения их максимально возможных удельных параметров. В статье проанализированы современные подходы к созданию мощных (свыше 1 МВт) преобразователей электроэнергии в составе гибридной силовой установки летательного аппарата. Рассмотрены используемые в мощных преобразователях топологии и доступные на рынке электронные компоненты. Для достижения максимальных удельных параметров сделан выбор в пользу построения преобразователя в виде нескольких параллельно работающих модулей двухуровневой топологии на основе сборок из карбид-кремниевых полевых транзисторов. Предложена методика для расчета потерь в сборках силовых транзисторов и определения их температурного режима. Проведено сравнение подходов к выбору ёмкости конденсаторов и частоты широтно-импульсной модуляции преобразователя. Критерием выбора компонентов и режима работы преобразователя использовалось оптимальное сочетание коэффициента полезного действия, температурного режима транзисторов и удельной мощности преобразователя. По результатам расчетов были сформированы оптимальные варианты исполнения преобразователя мощностью 1500 кВт, состоящие из трех и четырех параллельно работающих модулей, питаемых отдельными обмотками генератора.
Литература
1. Алёшин Б.С. и др. О переходе на "зеленую авиацию". – Электричество, 2023, № 2, с. 4–12.
2. Варюхин А.Н. и др. Оптимизация архитектуры силовой установки гибридного летательного аппарата. – Электричество, 2021, № 8, с. 4–12.
3. Мошкунов С.И., Хомич В.Ю., Шершунова Е.А. Повышающе-понижающий преобразователь напряжения для заряда аккумуляторной батареи на борту электрического самолета. – Письма в Журнал технической физики, 2020, т. 46, № 15, с. 22–24.
4. Rendón M.A. et al. Aircraft Hybrid-Electric Propulsion: Development Trends, Challenges and Opportunities. – Journal of Control. Autom. Electr. Syst., 2021, 32(5), pp. 1244–1268, DOI:10. 1007/s40313-021-00740-x.
5. Commercial Aircraft Propulsion and Energy Systems Research: Reducing Global Carbon Emissions. Washington, DC: The National Academies Press, 2016, 122 p., DOI: 10.17226/23490.
6. Варюхин А.Н. и др. Мощный преобразователь напряжения для заряда АКБ на борту летательного аппарата с гибридной силовой установкой. – Доклады Российской академии наук. Физика, технические науки, 2022, т. 503, № 1, с. 63–68.
7. Ebersberger J. et al. Potentials and Comparison of Inverter Topologies for Future All-Electric Aircraft Propulsion. – IEEE J. Emerg. Sel. Top. Power Electron, 2022, 10 (5), pp. 5264–5279, DOI: 10.1109/JESTPE.2022.3164804.
8. Janjamraj N., Hiranvarodom S., Pirajnanchai V. Opimized Harmonic of 27-Level Inverter for Aircraft Application Using Particle Swarm Optimization. – IEEE International Conference on Power, Energy and Innovations, 2019, pp. 94–97. DOI: 10.1109/ICPEI47862.2019.8945015.
9. Wang D et al. Multilevel Inverters for Electric Aircraft Applications: Current Status and Future Trends. – IEEE Trans. Transp. Electrif, 2023, DOI:10.1109/TTE.2023.3296284.
10. Sathler H.H. Optimization of GaN-Based Series-Parallel Multilevel Three-Phase Inverter for Aircraft Applications: Dissertation. Université Paris-Saclay, 2021.
11. Li Y. et al. 500 kW Forced Air-Cooled Silicon Carbide (SiC) Three-Phase DC/AC Converter with a Power Density of 1.246 MW/m 3 and Efficiency >98.5%. – IEEE Transactions on Industry Applications, 2021, 57(5), pp. 5013–5027, DOI:10.1109/TIA.2021.3087546.
12. Modeer T. et al. Design of a GaN-Based Interleaved Nine-Level Flying Capacitor Multilevel Inverter for Electric Aircraft Applications. – IEEE Transactions on Power Electronics, 2020, 35(11), pp. 12153–12165, DOI:10.1109/TPEL.2020.2989329.
13. Wang F. et al. MW-Class Cryogenically-Cooled Inverter for Electric-Aircraft Applications. – AIAA Propulsion and Energy 2019 Forum, 2019, DOI:10.2514/6.2019-4473.
14. Варюхин А.Н. и др. Мощный импульсный преобразователь постоянного тока на карбид-кремниевых транзисторах. – Прикладная физика, 2021, № 1, с. 75–81.
15. Sunbul A. et al. A Comprehensive Steady-State Analysis for Modular Multi-Parallel Rectifiers (MMR) with Shared DC-Link. – IEEE Transactions on Industry Applications, 2023, 59(2), pp. 1969–1981, DOI:10.1109/TIA.2022.3231578.
16. Ye Z. et al. Control of Circulating Current in Two Parallel Three-Phase Boost Rectifiers. – IEEE Transactions on Power Electronics, 2002, 17(5), pp. 609–615, DOI:10.1109/TPEL.2002.802170.
17. Graovac D., Purschel M., Kiep A. MOSFET Power Losses Calculation Using the Data-Sheet Parameters. –Application Note, 2006, 1.1.
18. Stark R. et al. Estimation of Switching Losses Using Simplified Compact Models for SiC Power MOSFETs. – IEEE Design Methodologies Conference, 2021, DOI: 10.1109/DMC51747.2021.9529934.
19. Manos K., Antonopoulos A. Analytical Loss Modeling for MOSFET-Based Modular High Frequency Converters. – IEEE 11th International Conference on Power Electronics and ECCE Asia, 2023, pp. 1795–1804.
20. Friedli T., Hartmann M., Kolar J.W. The Essence of Three-Phase PFC Rectifier Systems – Part II. – IEEE Transactions on Power Electronics, 2014, 29(2), pp. 543–560, DOI:10.1109/TPEL.2013.2258472.
21. Nawawi A. et al. Design and Demonstration of High-Power Density Inverter for Aircraft Applications. – IEEE Transactions on Industry Applications, 2017, 53(2), pp. 1168–1176, DOI:10.1109/TIA.2016.2623282.
22. Lai R. et al. A Systematic Topology Evaluation Methodology for High-Density Three-Phase PWM AC-AC Converters. – IEEE Transactions on Power Electronics, 2008, 23(6), pp. 2665–2680, DOI: 10.1109/TPEL.2008.2005381.
23. Luckett B., He J.B. Multi-Objective Design Optimization of Electric Aircraft Propulsion Power Converters. – IEEE Transportation Electrification Conference & Expo, 2022, pp. 456–461, DOI: 10.1109/ITEC53557.2022.9814020.
24. Lim Z. et al. Design of 100 kVA SiC Power Converter for Aircraft Electric Starter Generator – IEEE 4th Southern Power Electronics Conference, 2018, DOI:10.1109/SPEC.2018.8635866.
25. Kolar J.W., Round S.D. Analytical Calculation of the RMS Current Stress on the DC-Link Capacitor of Voltage-PWM Converter Systems. – IEE Proceedings–Electric Power Applications, 2006, 153(4), pp. 535–543, DOI:10.1049/ip-epa:20050458.
---
Результаты исследования получены при финансовой поддержке Минобрнауки России (Грант на проведение крупных научных проектов по приоритетным направлениям научно-технологического развития, соглашение № 075-15-2024-558)
2. Варюхин А.Н. и др. Оптимизация архитектуры силовой установки гибридного летательного аппарата. – Электричество, 2021, № 8, с. 4–12.
3. Мошкунов С.И., Хомич В.Ю., Шершунова Е.А. Повышающе-понижающий преобразователь напряжения для заряда аккумуляторной батареи на борту электрического самолета. – Письма в Журнал технической физики, 2020, т. 46, № 15, с. 22–24.
4. Rendón M.A. et al. Aircraft Hybrid-Electric Propulsion: Development Trends, Challenges and Opportunities. – Journal of Control. Autom. Electr. Syst., 2021, 32(5), pp. 1244–1268, DOI:10. 1007/s40313-021-00740-x.
5. Commercial Aircraft Propulsion and Energy Systems Research: Reducing Global Carbon Emissions. Washington, DC: The National Academies Press, 2016, 122 p., DOI: 10.17226/23490.
6. Варюхин А.Н. и др. Мощный преобразователь напряжения для заряда АКБ на борту летательного аппарата с гибридной силовой установкой. – Доклады Российской академии наук. Физика, технические науки, 2022, т. 503, № 1, с. 63–68.
7. Ebersberger J. et al. Potentials and Comparison of Inverter Topologies for Future All-Electric Aircraft Propulsion. – IEEE J. Emerg. Sel. Top. Power Electron, 2022, 10 (5), pp. 5264–5279, DOI: 10.1109/JESTPE.2022.3164804.
8. Janjamraj N., Hiranvarodom S., Pirajnanchai V. Opimized Harmonic of 27-Level Inverter for Aircraft Application Using Particle Swarm Optimization. – IEEE International Conference on Power, Energy and Innovations, 2019, pp. 94–97. DOI: 10.1109/ICPEI47862.2019.8945015.
9. Wang D et al. Multilevel Inverters for Electric Aircraft Applications: Current Status and Future Trends. – IEEE Trans. Transp. Electrif, 2023, DOI:10.1109/TTE.2023.3296284.
10. Sathler H.H. Optimization of GaN-Based Series-Parallel Multilevel Three-Phase Inverter for Aircraft Applications: Dissertation. Université Paris-Saclay, 2021.
11. Li Y. et al. 500 kW Forced Air-Cooled Silicon Carbide (SiC) Three-Phase DC/AC Converter with a Power Density of 1.246 MW/m 3 and Efficiency >98.5%. – IEEE Transactions on Industry Applications, 2021, 57(5), pp. 5013–5027, DOI:10.1109/TIA.2021.3087546.
12. Modeer T. et al. Design of a GaN-Based Interleaved Nine-Level Flying Capacitor Multilevel Inverter for Electric Aircraft Applications. – IEEE Transactions on Power Electronics, 2020, 35(11), pp. 12153–12165, DOI:10.1109/TPEL.2020.2989329.
13. Wang F. et al. MW-Class Cryogenically-Cooled Inverter for Electric-Aircraft Applications. – AIAA Propulsion and Energy 2019 Forum, 2019, DOI:10.2514/6.2019-4473.
14. Варюхин А.Н. и др. Мощный импульсный преобразователь постоянного тока на карбид-кремниевых транзисторах. – Прикладная физика, 2021, № 1, с. 75–81.
15. Sunbul A. et al. A Comprehensive Steady-State Analysis for Modular Multi-Parallel Rectifiers (MMR) with Shared DC-Link. – IEEE Transactions on Industry Applications, 2023, 59(2), pp. 1969–1981, DOI:10.1109/TIA.2022.3231578.
16. Ye Z. et al. Control of Circulating Current in Two Parallel Three-Phase Boost Rectifiers. – IEEE Transactions on Power Electronics, 2002, 17(5), pp. 609–615, DOI:10.1109/TPEL.2002.802170.
17. Graovac D., Purschel M., Kiep A. MOSFET Power Losses Calculation Using the Data-Sheet Parameters. –Application Note, 2006, 1.1.
18. Stark R. et al. Estimation of Switching Losses Using Simplified Compact Models for SiC Power MOSFETs. – IEEE Design Methodologies Conference, 2021, DOI: 10.1109/DMC51747.2021.9529934.
19. Manos K., Antonopoulos A. Analytical Loss Modeling for MOSFET-Based Modular High Frequency Converters. – IEEE 11th International Conference on Power Electronics and ECCE Asia, 2023, pp. 1795–1804.
20. Friedli T., Hartmann M., Kolar J.W. The Essence of Three-Phase PFC Rectifier Systems – Part II. – IEEE Transactions on Power Electronics, 2014, 29(2), pp. 543–560, DOI:10.1109/TPEL.2013.2258472.
21. Nawawi A. et al. Design and Demonstration of High-Power Density Inverter for Aircraft Applications. – IEEE Transactions on Industry Applications, 2017, 53(2), pp. 1168–1176, DOI:10.1109/TIA.2016.2623282.
22. Lai R. et al. A Systematic Topology Evaluation Methodology for High-Density Three-Phase PWM AC-AC Converters. – IEEE Transactions on Power Electronics, 2008, 23(6), pp. 2665–2680, DOI: 10.1109/TPEL.2008.2005381.
23. Luckett B., He J.B. Multi-Objective Design Optimization of Electric Aircraft Propulsion Power Converters. – IEEE Transportation Electrification Conference & Expo, 2022, pp. 456–461, DOI: 10.1109/ITEC53557.2022.9814020.
24. Lim Z. et al. Design of 100 kVA SiC Power Converter for Aircraft Electric Starter Generator – IEEE 4th Southern Power Electronics Conference, 2018, DOI:10.1109/SPEC.2018.8635866.
25. Kolar J.W., Round S.D. Analytical Calculation of the RMS Current Stress on the DC-Link Capacitor of Voltage-PWM Converter Systems. – IEE Proceedings–Electric Power Applications, 2006, 153(4), pp. 535–543, DOI:10.1049/ip-epa:20050458.
---
Результаты исследования получены при финансовой поддержке Минобрнауки России (Грант на проведение крупных научных проектов по приоритетным направлениям научно-технологического развития, соглашение № 075-15-2024-558)
