Электрический преобразователь мегаваттного диапазона для перспективных гибридных летательных аппаратов

  • Антон Николаевич Варюхин
  • Вадим Вадимович Воеводин
  • Александр Валикоевич Гелиев
  • Андрей Владимирович Дутов
  • Иван Олегович Киселев
  • Андрей Львович Козлов
  • Сергей Игоревич Мошкунов
  • Максим Александрович Овдиенко
  • Владислав Юрьевич Хомич
  • Евгений Владимирович Шахматов
DOI: https://doi.org/10.24160/0013-5380-2024-9-4-16
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.

Биографии авторов

Антон Николаевич Варюхин

кандидат техн. наук, заместитель генерального директора, Центральный институт авиационного моторостроения имени П.И. Баранова, Москва, Россия; a.varyukhin@yandex.ru

Вадим Вадимович Воеводин

кандидат техн. наук, старший научный сотрудник, Институт электрофизики и электроэнергетики РАН, Санкт-Петербург, Россия; voyevodinvv@gmail.com

Александр Валикоевич Гелиев

начальник отдела хранения и преобразования энергии, Центральный институт авиационного моторостроения имени П.И. Баранова, Москва, Россия; avgeliev@ciam.ru

Андрей Владимирович Дутов

доктор техн. наук, генеральный директор, Национальный исследовательский центр «Институт имени Н.Е. Жуковского», Жуковский, Московская обл., Россия; info@nrczh.ru

Иван Олегович Киселев

начальник сектора электрических машин и источников энергии, Центральный институт авиационного моторостроения имени П.И. Баранова, Москва, Россия; okiselev@ciam.ru

Андрей Львович Козлов

генеральный директор, Центральный институт авиационного моторостроения имени П.И. Баранова, Москва, Россия; info@ciam.ru

Сергей Игоревич Мошкунов

член-корр. РАН, доктор техн. наук, руководитель научного направления, Институт электрофизики и электроэнергетики РАН, Санкт-Петербург, Россия; serg-moshkunov@yandex.ru

Максим Александрович Овдиенко

заместитель директора исследовательского центра, Центральный институт авиационного моторостроения имени П.И. Баранова, Москва, Россия; maovdienko@ciam.ru

Владислав Юрьевич Хомич

академик РАН, доктор физ.-мат. наук, научный руководитель, Институт электрофизики и электроэнергетики РАН, Санкт-Петербург, Россия; khomich@ras.ru

Евгений Владимирович Шахматов

академик РАН, доктор техн. наук, научный руководитель, Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королёва, Самара, Россия; shakhm@ssau.ru

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)
#
1. Alyoshin B.S. et al. Elektrichestvo – in Russ. (Electricity), 2023, No. 2, pp. 4–12.
2. Varyuhin A.N. et al. Elektrichestvo – in Russ. (Electricity), 2021, No. 8, pp. 4–12.
3. Moshkunov S.I., Homich V.Yu., Shershunova Е.А. Pis'ma v Zhurnal tekhnicheskoy fiziki – in Russ. (Letters to the Journal of Technical Physics), 2020, vol. 46, No. 15, pp. 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. Varyuhin A.N. et al. Doklady Rossiyskoy akademii nauk. Fizika, tekhnicheskie nauki – in Russ. (Reports of the Russian Academy of Sciences. Physics, Technical Sciences), 2022, vol. 503, No. 1, pp. 63–68.
7. Ebersberger J. et al. Potentials and Comparison of Inverter Topologies for Future All-Electric Aircraft Propulsion. – IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics, 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. Varyuhin A.N. et al. Prikladnaya fizika – in Russ. (Applied Physics), 2021, No. 1, pp. 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
---
The study results have been obtained with the financial support of the Ministry of Education and Science of the Russian Federation (Grant for major scientific projects in priority areas of scientific and technological development, Agreement No. 075-15-2024-558)
Опубликован
2024-07-31
Выпуск
№ 9 (2024): Выпуск № 9
Раздел
Статьи