Die Optimierung des DC-DC-Wandler-Designs ist für MEA (More Electric Aircraft) von entscheidender Bedeutung - hier die Gründe

Das Thema Treibstoffeinsparung und Emissionsreduzierung ist in der Luftfahrtindustrie in den Vordergrund gerückt, und zwar nicht nur aus ökologischen, sondern auch aus einfachen wirtschaftlichen Gründen; der Rückgang des Verkehrsaufkommens aufgrund der Rinderpandemie hat einige Betreiber in den Ruin getrieben und andere dazu veranlasst, ihre Geschäftsmodelle zu überdenken.

Schematische Darstellung einer LLC-Wandler-Leistungsstufe.

Da der Treibstoff etwa 20-30 % der Betriebskosten ausmacht und jedes Kilo 3,15 kg CO2 erzeugt [1], gibt es allen Grund, den Verbrauch fossiler Brennstoffe zu reduzieren, mit dem Endziel eines rein elektrischen Antriebs. Da Kerosin jedoch eine 50-mal höhere Energiedichte als die heutigen Batterien hat, sind einige Hürden zu überwinden. Diese Batterien werden auch nicht leichter, wenn der Flug fortschreitet, wie es bei flüssigem Treibstoff der Fall ist.

In der Zwischenzeit stehen "More" Electric Aircraft (MEA) im Mittelpunkt, die durch den Ersatz pneumatischer, hydraulischer und mechanischer Energiequellen durch elektrische nützliche Gewichts-, Effizienz- und Größenvorteile bieten. Um den größten Nutzen zu erzielen, muss eine Energiebus-Architektur entwickelt werden, die alle erforderlichen Betriebsspannungen mit maximaler Effizienz liefert. Derzeit wird ein 270-VDC-Bus mit DC-DC-Abwärtswandlern für herkömmlich mit 28 VDC betriebene Geräte und anschließender weiterer Abwärtswandlung auf andere niedrigere Spannungen bevorzugt.

SWaP ist die Kennzahl für die Leistung des MEA-DC-DC-Wandlers
Größe, Gewicht und Leistung (Size, weight and power : SWaP) sind die Attribute, die bei einem MEA-Gleichstromwandler optimiert werden müssen, und es gibt viele Kompromisse, die berücksichtigt werden müssen, wobei das Endergebnis eine hohe Sicherheit und Zuverlässigkeit ist. Den Entwicklern von Stromversorgungssystemen stehen viele Wandlertopologien zur Verfügung, die für andere Anwendungen, wie z. B. industrielle oder kommerzielle Anwendungen, entwickelt wurden, aber für die MEA-Umgebung und die damit verbundenen Leistungsanforderungen ist die Auswahl begrenzt.

Ein Beispiel soll einen typischen Entwurfsprozess veranschaulichen: Das Unternehmen Gaia Converter [2] wurde gebeten, in Zusammenarbeit mit der Universidad Politécnica de Madrid einen DC-DC-Wandler zu entwickeln, der eine Ausgangsleistung von 1 kW (1,5 kW Spitze) bei 28 VDC von einem Eingang liefern sollte, der von 220 VDC bis 320 VDC einschließlich anormaler Bedingungen variieren konnte. Der angestrebte Wirkungsgrad lag bei 96 % unter Nennbedingungen, die verfügbare Größe betrug nur 5,79 cm x 6,1 cm x 1,3 cm, und die Kühlung erfolgte über eine Platte, die bereits auf maximal 90 °C spezifiziert war. Es galten die EMV-Normen für die Luft- und Raumfahrt sowie die Anforderung, dass die Schaltfrequenz nicht mehr als +/-15 % vom Nennwert abweichen sollte.

Der Entwurfsprozess
Das Entwicklungsteam wusste bereits, dass eine hocheffiziente Topologie erforderlich war, die ein "sanftes Schalten" innerhalb des Wandlers zur Verringerung der dynamischen Verluste voraussetzt. Es gibt noch weitere Optionen - feste oder variable Frequenz, Resonanzumwandlung oder herkömmliche, Dioden- oder synchrone Gleichrichtung und vieles mehr, aber man entschied sich für einen "LLC"-Wandler wegen seines hohen Wirkungsgrads über den gesamten Lastbereich, der geringen EMI und der einfachen Halbleiterschalteransteuerung. Der Aufbau ist in Abbildung 1 dargestellt.



Das Prinzip des "Matrix"-Transformators für ein Umwandlungsverhältnis von 4:1.

Der LLC-Wandler hat seinen Namen von den beiden Induktivitäten, die von L1 und der Primärwicklung des Transformators Lm gebildet werden, sowie von dem Kondensator C1. Zusammen bilden sie eine Doppelresonanz im primären "Tank"-Kreis. Die Leistungsumwandlung und die variable Ausgangsspannung werden durch Erregung des Tanks mit einer Rechteckwelle variabler Frequenz erreicht, die entlang der Steigung der Resonanzverstärkungskurve auf und ab läuft. Der Transformator sorgt für die Isolierung und Skalierung der Spannung, und die Rückkopplung vom Gleichstromausgang steuert die Erregungsfrequenz.

Es sind noch viele Variablen zu berücksichtigen, die sich auf die Effizienz, die Größe, die Kosten, die elektrische Leistung und die EMI auswirken, so dass die Konstrukteure einen Optimierungsalgorithmus entwickelten, um die Kombination von Komponententypen und -werten zu ermitteln, die die Spezifikation am besten erfüllt. Nach zahlreichen Iterationen wurden GaN-HEMT-Zellen aufgrund ihrer geringen Verluste für die Primärschalter ausgewählt, eine Nennschaltfrequenz von 830 kHz gewählt und Werte für L1 und Lm für die maximale spezifizierte Frequenzvariation berechnet. Die Werte der beiden Induktivitäten waren mit 2,4 µH und 3 µH sehr ähnlich, was die Möglichkeit ausschloss, L1 aus der Streuinduktivität des Transformators zu bilden, da dies das Design des Transformators ineffizient und unpraktisch gemacht hätte, so dass L1 als diskrete verlustarme Induktivität implementiert wurde.

Der Transformator ist ebenfalls der Schlüssel zu einem hohen Wirkungsgrad, und es wurde ein "Matrix"-Design gewählt, das ebenfalls die Vorteile eines potenziell geringen Profils, einer geringen Streuung und einer einfachen Wärmeableitung hat. Das Prinzip des Matrixtransformators ist in Abbildung 2 dargestellt, in diesem Fall mit gestapelten Toroiden mit einer einzelnen Primärwicklung, die durch alle Elemente in Reihe geschaltet ist, und einer einzelnen Sekundärwicklung auf jedem Toroid, die parallel geschaltet ist, um ein Gesamtumwandlungsverhältnis von 4:1 zu erreichen.

Praktische Ergebnisse
Das fertige optimierte Design erfüllte die MEA-Spezifikationen von über 96 % Wirkungsgrad bei einer Transformatortemperaturerhöhung von weniger als 30 °C. Die erreichte Leistungsdichte lag bei 32 kW/dm3 im angegebenen Zielvolumen. Die äußerst wichtige Schaltfrequenzschwankung wurde ebenfalls auf weniger als +/-15 % begrenzt.

www.gaia-converter.com

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