High-Power Density DC-DC Converter for More Electric Aircraft

Abstract

Nowadays, the large dependency of the current society of the non-renewable energies is encouraging the acceleration of the climatic change, which is having a considerable impact on the environment. Consequently, an impulse of the renewable energy consumption (photovoltaic, eolic, tidal, etc.) is being produced. This fact does not only affect to the main forms of electric power generation, but also has an impact on the main users of non-renewable energies. In this context, the automotive sector is one of the principals affected, in which the traditional propulsion method based on fossil fuels is being replaced by partially or totally electric thrust vehicles. Since H2020 started, two new concepts regarding the aeronautic transport where launched: More Electric Aircraft (MEA) and All Electric Aircraft (AEA). In this kind of aircrafts, the Electric Power Distribution System (EPDS) is divided into AC/DC and DC/DC energy conversion. In this work, the DC/DC EPDS proposed for the electric aircraft are analyzed in detail, aiming to deepen into the knowledge of the most employed Power Electronic Converter (PEC) topologies. In these EPDS, the most utilized PEC according to literature proposals is the Dual-Active-Bridge (DAB) converter. This PEC is formed by two full bridges, interconnected by a power transformer, which can act as inverter and/or rectifier, giving bidirectionality to the system power transfer. As an alternative to DAB converter, Active-Bridge-Active-Clamp (ABAC) has been also proposed, whose primary side is identical to DAB. However, low-voltage side is modified by dividing the full bridge into two half-bridges to include clamp capacitors and output filter DC inductors. To evaluate the scenarios that encourage the utilization of these topologies, the analytical models that describe the voltage and current behavior of the components that are included in these converters are developed in this work. Furthermore, the operating regions while working with the main modulation methods are presented. Once the analytical models are obtained, a brute force-based optimization algorithm is developed that allows to analyze the utilization of different semiconductor, heatsink, magnetic devices and/or capacitor technologies. Then, the evaluation of the impact of these component technologies on the efficiency and volumetric power density of the converter is performed.

Gaur egun, gizarteak energia ez berriztagarrien kontsumoarekiko duen mendekotasun handiak lagunduta, klima aldaketa bizkortzen ari da, ekosisteman gero eta inpaktu handiagoa edukita. Horren ondorioz, energia berriztagarrien kontsumoa bultzatzen ari da (fotovoltaikoa, eolikoa, mareen energia, etab.). Gertaera horrek energia elektrikoa sortzeko modu nagusiei eragiteaz gain, energia ez berriztagarrien erabiltzaile nagusiei eragiten die. Testuinguru horretan, automobilgintza sektorea da kaltetu nagusietako bat, non erregai fosiletan oinarritutako propultsio metodo tradizionala energia elektrikoaren bidez erabat edo partzialki bultzatutako ibilgailuekin ordezten ari den. H2020aren hasieratik, garraio aeronautikoaren bi kontzeptu berri kaleratu ziren: hegazkinik elektrikoena (ingelesetik More Electric Aircraft, MEA) eta hegazkin elektriko hutsa (ingelesetik, All Electric Aircraft). Aireontzi mota horietan, potentzia elektrikoa banatzeko sistema AC/DC eta DC/DC energia bihurtzean banatzen da. Lan honetan, hegazkin elektrikorako integratutako eta/edo proposatutako DC/DC banaketa sareak aztertzen dira, normalean enplegatzen diren potentzia bihurgailu elektronikoen topologien ezagutzan sakontzeko. Banaketa sare horien barruan, DAB da (ingelesetik Dual-Active-Bridge) literaturaren proposamenen arabera gehien erabiltzen den potentzia bihurgailu elektronikoa. Bihurgailu hori bi zubi osok osatzen dute, potentzia transformadore batek interkonektatuta. Zubi horiek, berriz, artezle eta/edo inbertsore gisa jardun dezakete, energia elektrikoaren fluxua noranzko bikoa izatea ahalbidetuta. ABAC da (ingelesetik: Active-Bridge-Active-Clamp) DC/DC banaketa sareetan ere erabiltzen den bihurgailuaren beste alternatiba bat. Bihurgailu horren goi tentsioko aldea DABren berdina da. Hala ere, behe tentsioko aldean zubi osoa bi zubi erditan banatzen da, tarteko bus batean bi kondentsadore eta irteera iragazkiko bi DC induktore sartzeko. Topologia baten edo bestearen erabilera errazten duten agertokiak ebaluatu ahal izateko, lan honetan bihurgailu horietan sartzen diren osagaien korronteko eta tentsioko portaera deskribatzen duten ekuazio analitikoak garatzen dira, bai eta modulazio metodo nagusiekin lan egiten denean horiek dituzten funtzionatzeko moduak ere. Tentsio eta korronteen ekuazio analitikoak topologia bakoitzean integratzen diren elementuetan lortu ondoren, optimizazio algoritmo bat egiten da, indar gordinean oinarrituta. Algoritmo horrekin, erdieroalearen, disipadorearen, elementu magnetikoen eta/edo kondentsadoreen hainbat teknologiaren erabilera aztertu daiteke, bihurgailuaren efizientzian nahiz haren potentzia bolumetrikoaren dentsitatean duten eragina ebaluatzeko.

En la actualidad, la alta dependencia de la sociedad del consumo de energías no renovables esta favoreciendo la aceleración de un cambio climático que tiene cada vez más impacto en el ecosistema. Como consecuencia, se está produciendo un impulso del consumo de energías renovables (fotovoltaica, eólica, mareomotriz, etc). Este hecho no solo afecta a las principales formas de generación de la energía eléctrica, sino que también repercute en los principales usuarios de energías no renovables. En este contexto, el sector automovilístico es uno de los principales afectados, donde el tradicional método de propulsión basado en combustibles fósiles está siendo reemplazado por vehículos impulsados total o parcialmente mediante energía eléctrica. Desde el comienzo del H2020, dos nuevos conceptos de transporte aeronáutico fueron lanzados: el avión más eléctrico (del inglés, More Electric Aircraft-MEA), y el avión puramente eléctrico (del inglés, All Electric Aircraft-AEA). En este tipo de aeronaves, el sistema de distribución de potencia eléctrica se divide en conversión de energía AC/DC y DC/DC. En este trabajo, se analizan las redes de distribución DC/DC integradas y/o propuestas para el avión eléctrico con el objetivo de profundizar en el conocimiento de las topologías de convertidores electrónicos de potencia comunmente empleados. Dentro de estas redes distribución, el convertidor electrónico de potencia más empleado de acuerdo con las propuestas de la literatura es el DAB (del inglés Dual-Active-Bridge). Este convertidor está formado por dos puentes completos, interconectados por un transformador de potencia, que pueden actuar de rectificador y/o inversor, otorgando bidireccionalidad al flujo de energía eléctrica. Otra alternativa de convertidor también empleado en redes de distribución DC/DC es el ABAC (del inglés Active-Bridge-Active-Clamp), cuyo lado de alta tensión es idéntico al DAB. Sin embargo, en el lado de baja tensión el puente completo se divide en dos medios puentes para incluir dos condensadores en un bus intermedio y dos inductores de DC de filtro de salida. Para poder evaluar los escenarios que favorecen la utilización de una topología u otra, en este trabajo se desarrollan las ecuaciones analíticas que describen el comportamiento en corriente y tensión de los componentes que se incluyen en estos convertidores, así como los modos de funcionamiento de estos cuando se trabaja con los principales métodos de modulación. Una vez obtenidas las ecuaciones analíticas de tensiones y corrientes en los diferentes elementos que se integran en cada topología, se realiza un algoritmo de optimización basado en fuerza bruta que permite analizar la utilización de distintas tecnologías de semiconductor, disipador, elementos magnéticos y/o condensadores para evaluar el impacto que estas tienen tanto en la eficiencia del convertidor como en la densidad de potencia volumétrica del mismo.