مكونات GaN المستخدمة في هندسة الطاقة الكهربائية المعيارية
تتحول الاتجاهات الحديثة في هندسة الطائرات نحو نموذج أكثر للطائرات الكهربائية (MEA) – مما يزيد من استخدام الطاقة الكهربائية على الطاقات الهوائية والهيدروليكية لتشغيل الأنظمة الموجودة على متن الطائرة. إن تنفيذ اتفاق طيران الشرق الأوسط له بعض المزايا التي لا يمكن إنكارها، مثل كفاءة استخدام الطاقة والصيانة المنخفضة التكلفة، والتي أصبحنا وشيكين رؤيتها من خلال تطبيقها المتزايد في الطائرات الحديثة مثل إيرباص A380 أو بوينج 787. ولدمج نفس المراجعات الهامة للطاقة الكهربائية بنية العرض أمر لا مفر منه لضمان أفضل أداء.
تعتمد بنية الطاقة الكهربائية على شبكات متعددة على متن الطائرة، مترابطة ومعزولة غلفانيا. يوجد أيضًا مستويان لجهد الشبكة: ناقل تيار مستمر منخفض الجهد (LVDC) قياسي 28 فولت لتشغيل أجهزة التحكم وحافلة تيار مستمر عالي الجهد 270 فولت/540 فولت تيار مستمر (HVDC) لمشغلات الطاقة. يعد تحويل الطاقة أمرًا أساسيًا لتنفيذ نهج أكثر كهربائية، حيث يحدد الفوائد القابلة للقياس الكمي للتحول من محول واحد يعتمد على مكونات مكيفة بشكل مباشر إلى هيكل متعدد المحولات يعتمد المكونات الأكثر ملاءمة لتحقيق مواصفات معينة.
تتمثل التحديات الرئيسية عندما يتعلق الأمر بشركة طيران الشرق الأوسط في تطوير أنظمة طاقة كهربائية أصغر حجمًا وأخف وزنًا؛ وبالتالي، يجب أن تتمحور البنية حول كثافة الطاقة ونسبة القدرة إلى الوزن. وفقًا للأدبيات، يمكن أن يُنسب الفضل إلى تقنيات فجوة النطاق الواسعة في تحقيق نسبة طاقة إلى وزن تصل إلى 2 كيلووات/كجم باستخدام مزيج من مكونات GaN وSiC. ويقترح استخدام مكونات GaN أيضًا انخفاضًا في فقد الطاقة، مما يساهم بدوره في كفاءة التحويل وتقليل حجم نظام الإدارة الحرارية. يمكنهم أيضًا تحمل درجات حرارة الوصلات الأعلى.
إن تصميم جسر نشط مزدوج (DAB) في هذه الحالة يناسب الاحتياجات السياقية، حيث أنه يلبي أيضًا متطلبات العزل الجلفاني، وكثافة الطاقة العالية، وتصنيفات الطاقة العالية والكفاءة العالية. بالنظر إلى استخدام مكونات GaN، من الضروري وجود بنية معيارية تعتمد على السلسلة و/أو الاتصال المتوازي للطوب الأولي منخفض الطاقة (الشكل 1).
محاكاة بنية الطاقة الكهربائية المعيارية
بدلاً من تنفيذ تطبيقات واختبارات مملة ومكلفة لتحقيق التقدم التكنولوجي، فإن التصميم القائم على المحاكاة لإلكترونيات الطاقة المشاركة في التوصيل البيني بين شبكات LVDC وHVDC في تنفيذ MEA يكون أكثر ملاءمة. يتم تنفيذ وظيفة تحويل الطاقة الكهربائية عن طريق مجموعة من الطوب الأولي. وتعتمد هذه على تقنية DAB ويتم التحكم فيها باستخدام إستراتيجية التحكم في التحول أحادية الطور. يوضح الشكل 2 المعلمات الكلية الـ 11 لمحول DAB في النموذج.
تمثل النماذج التي تم إنشاؤها أيضًا العديد من الخسائر المرتبطة بأشباه الموصلات (مكونات GaN) والمكونات المغناطيسية وما إلى ذلك. مع الأخذ في الاعتبار خسائر توصيل الترانزستور، فإن خسائر التوصيل العكسي أثناء الوقت الميت، وخسائر الحديد، وخسائر النحاس وأكثر من ذلك تعتبر أيضًا حاسمة في تحديد نسبة القدرة إلى الوزن في النماذج، حيث إنها عامل الأداء الرئيسي الذي يتم التركيز عليه. تتناول الورقة الموجودة في المراجع عدة معادلات لحساب خسائر الطاقة بسبب خسائر التوصيل، وفقدان الحديد، والمزيد. تلعب هذه المعادلات دورًا تراكميًا في حساب نسبة القوة إلى الوزن.
وبالمثل، تم اتخاذ العديد من قرارات التصميم لتقليل الخسائر بشكل كبير:
- استخدام المحولات المستوية، حيث أنها تلبي متطلبات إلكترونيات الطاقة الحديثة للحد من تأثير الجلد وتأثيرات القرب
- اللفات الموازية لتقليل فقد النحاس وكثافة التيار عند الجهد المنخفض
كما أجرى تصميم النموذج المحاكى حسابات لنماذج التقدير الشامل. يجب أن تجتاز النماذج التي تم إنشاؤها عدة معايير للأداء لاستخدامها في التجارب، ويعتبر التحسين متطلبًا لاحقاً.
غرس التحسين في النماذج
للمضي قدماً في عملية التحسين، يجب إعطاء الأولوية لإضافة القيود المادية، خاصة بالنظر إلى المحول. تتضمن هذه العملية إدخال المعاملات والثوابت التي ترسيخ المعادلات في الواقع وتساعدها أيضًا على ملاءمتها لمتطلبات إلكترونيات الطاقة.
تم إجراء تحسين تصميمات النماذج المحاكاة باستخدام خوارزمية تحسين سرب الجسيمات. التحسين المطلوب هو فيما يتعلق بنسبة القوة إلى الوزن. أثناء تنفيذ خوارزمية التحسين، تم تعديل المعلمات لإنشاء ثلاثة حلول مثالية وحل واحد دون المستوى الأمثل. من بين الحلول المثالية، استخدمت الحالة “أ” نواة من الفريت E43، واستخدمت الحالة “ب” نواة من الفريت E58، واستخدمت الحالة “ج” نواة من الفريت E64.
أسفرت الحالة ب عن نسبة قوة إلى وزن واعدة تبلغ 4.5 كيلووات/كجم، مما أدى إلى أداء أعلى بمرتين من أحدث الأجهزة. وبالتالي، يمكن لترانزستورات GaN أن تشق طريقًا نحو تحقيق تقدم كبير في إلكترونيات الطاقة، بغض النظر عن ارتباطها بتطبيقات واختبارات الطائرات. وفي الوقت نفسه، كان للعلبة C نواة أكبر، مما أدى إلى ارتفاع التيارات ذات الجهد المنخفض إلى جانب مكثفات الملفات غير الضرورية، والتي بدورها تحد من تردد التبديل. كان للحالة أ، ذات النواة الأصغر، تيار جهد منخفض أقل بكثير، مما أدى إلى انخفاض خسائر النحاس ولكن زيادة طاقة محرك GaN وخسائر النواة.
كان الحل دون الأمثل يتمتع بكثافة طاقة أقل بالإضافة إلى 0.5 نقطة إضافية من الكفاءة مقارنة بالحالة ب.
لاحظ أنه كان هناك تكوينان للملف يتناسبان مع الفحص مما ساهم في تحقيق تردد رنين عالي وبالتالي تردد تحويل عالي.
التحقق من صحة التجربة ونتائج النماذج المقترحة
التحقق من صحة فرضيات التنفيذ هو الخطوة الحاسمة اللاحقة. لهذا، يجب التأكد من إمكانية تشغيل أربعة ترانزستورات GaN على الأقل باستخدام نفس محرك البوابة وتوجيهها باستخدام محاثات طفيلية غير مهمة ووصلات مقاومة منخفضة. يجب أيضًا التحقق من صحة الإدارة الحرارية المستندة إلى مبدد حراري واحد لكل جسر.
التجربة التجريبية الأولى شملت:
- جسور الجهد العالي والجهد المنخفض تعتمد على أنظمة GaN ومكونات EPC
- DAB بقدرة 1.9 كيلو واط بتردد 304 كيلو هرتز
وقد أدى ذلك إلى اختلاف بنسبة 15% تقريبًا بين القياس والنموذج عند تردد 300 كيلو هرتز. ويعزى هذا الاختلاف إلى حقيقة أن النمذجة تم إجراؤها بطريقة ثنائية الأبعاد، في حين أن المحول ثلاثي الأبعاد. ومع ذلك، فإن هدف تقليل الكتلة لا يزال قد تحقق إلى حد كبير. يمكن استخدام النهج القائم على المحاكاة، كونه عام وسريع، في فحص التعريف الأمثل فيما يتعلق بتطور الخصائص التكنولوجية للمكونات المختلفة المستخدمة في محول الطاقة. إن نتائج مؤشر الأداء التي تم تحقيقها هنا هي نتيجة لاستخدام مكونات GaN الجديدة، خاصة في ضوء موازنتها.
مراجع
1بنياك وآخرون. (2023). “التحجيم المسبق لمحول DC/DC المعياري عالي الكثافة مع مكونات GaN.” الرياضيات والكمبيوتر في المحاكاة.
2ويلمان، AJ، أسلم، S.، وPerinpanayagam، S. (2021). “خريطة طريق لإلكترونيات الطاقة الموثوقة لمزيد من الطائرات الكهربائية.” التقدم في علوم الفضاء الجوي، المجلد 127.
3تريفيدي، SS، وسانت، AV (2022). “تحليل مقارن لمحول التيار المستمر-الجسر المزدوج النشط الذي يستخدم وحدات MOSFET Si وSiC وGaN لتشغيل G2V وV2G.” تقارير الطاقة، المجلد 8، الملحق 13، الصفحات من 1011 إلى 1019.
تفضل بزيارة الكتاب الإلكتروني للحصول على المقالة كاملة
اكتشاف المزيد من موقع 5 كيلو
اشترك للحصول على أحدث التدوينات المرسلة إلى بريدك الإلكتروني.
