Hoe de Schaal van Vermogensverlies Beïnvloedt door Diverse Architecturen in DPP Systemen

In de complexe wereld van Differential Power Processing (DPP) converters, speelt het vermogen om verlies te beheren een cruciale rol in het verbeteren van de efficiëntie van energiedistributie. Het vermogen dat door elke submodule wordt verwerkt, heeft direct invloed op de algehele prestaties van het systeem, vooral wanneer we rekening houden met schaalafhankelijke verliezen. DPP-systemen verwerken het vermogen van meerdere spanningsdomeinen, wat leidt tot zowel voordelen als uitdagingen in termen van efficiëntie.

Deze extra verwerking van het vermogen door de ladder-DPP leidt ook tot een verhoogde schaal van het verlies in het systeem, wat vooral merkbaar is bij grotere systemen met een hoger aantal domeinen. Het verlies wordt groter naarmate het aantal submodules toeneemt, omdat het vermogen via een grotere keten van modules moet worden geaccumuleerd. Het resultaat is een niet-lineaire schaal van verliezen die met de toename van het aantal modules toeneemt, wat een significant effect kan hebben op de prestaties van het systeem op grotere schaal.

Daarnaast wordt het verlies in DPP-systemen beïnvloed door verschillende factoren, zoals de variatie in belastingvermogen en de topologie van de converter. Het verlies in een conventionele converter zoals een N:1 DAB-converter is relatief rechtlijnig en kan worden gemodelleerd op basis van de gemiddelde belasting en de variatie daarvan. In tegenstelling tot de ladder-DPP converter, waar het verlies niet alleen afhankelijk is van de belastingvariatie, maar ook van de ophoping van kracht door verschillende submodules.

De schaalafhankelijke verliezen in een DPP-systeem kunnen verder geanalyseerd worden door een stochastisch verliesmodel te ontwikkelen, waarbij we de impact van de schaal van het systeem en de belastingvariantie kwantificeren. Dit model helpt om te begrijpen hoe de verliezen zich verhouden tot de grootte van het systeem en de variabiliteit van de belasting. In een conventionele N:1 DAB-converter wordt het verlies gemeten als een functie van de gemiddelde belasting en de variabiliteit ervan, terwijl het verlies in een volledig gekoppelde DPP converter vooral lineair is met de belastingvariatie. Het verlies in een ladder-DPP converter daarentegen neemt in complexiteit toe, aangezien het verlies zowel afhankelijk is van het aantal modules als van de specifieke accumulatoren van vermogen in de keten.

Bij de vergelijking van de drie architecturen — conventioneel, volledig gekoppeld en ladder-DPP — blijkt dat de ladder-DPP converter, hoewel efficiënter in termen van het vermijden van verlies bij kleinere systemen, meer verlies vertoont naarmate het aantal domeinen toeneemt. Dit kan worden toegeschreven aan de manier waarop vermogen zich ophoopt in de keten van submodules, wat resulteert in een grotere belasting voor modules dichter bij het midden van de keten.

Wat hierbij belangrijk is voor de lezer, is dat de keuze voor een bepaalde DPP-architectuur niet alleen afhankelijk is van het vermogen van de individuele modules, maar ook van de mate van variabiliteit van de belasting en het aantal betrokken domeinen. Dit betekent dat de keuze voor een ladder-DPP of een volledig gekoppeld DPP-systeem afhankelijk moet zijn van de specifieke behoeften van de toepassing, zoals de grootte van het systeem en de variabiliteit van de belastingen. Het verlies is een dynamisch proces dat goed moet worden begrepen om de juiste systeemarchitectuur te kiezen voor specifieke toepassingen.

Hoe Non-lineaire Transmissielijnen (NLTL) kunnen bijdragen aan Krachtige Hoogspanningspulsen in de Elektronica

Non-lineaire transmissielijnen (NLTL) zijn complexe structuren die worden gebruikt voor de propagatie van elektromagnetische golven, waarbij zowel niet-lineariteit als dispersie een cruciale rol spelen. Een NLTL bestaat uit een periodieke reeks van inductoren en varactoren (spanningsafhankelijke condensatoren), en de eigenschappen van deze componenten bepalen het gedrag van de transmissielijn. De niet-lineariteit komt voort uit het varactor-element, waarvan de capaciteit verandert op basis van de spanning, terwijl de dispersie wordt geïntroduceerd door de structurele periodiciteit van de transmissielijn zelf. Deze eigenschappen maken NLTL's bijzonder geschikt voor toepassingen waarin hoge frequenties en spanningen nodig zijn, zoals in krachtige elektronische systemen of bij de generatie van plasma's.

Het principe van werking van een NLTL kan het best worden begrepen door te kijken naar het gedrag van een spanningspuls die langs de transmissielijn reist. In het begin wordt de puls gecomprimeerd, wat resulteert in een toename van de amplitude en een afname van de breedte van de puls. Dit proces, ook wel puls-scherping genoemd, zorgt ervoor dat de frequentiecomponenten van de puls toenemen. Wanneer de frequenties van deze componenten dicht bij de zogenaamde cutoff-frequentie van de transmissielijn komen, zorgt de dispersie in de NLTL ervoor dat de puls zich weer verspreidt, waardoor de aanvankelijke compressie stopt.

Wanneer we kijken naar de praktische toepassingen, is de eenvoud van de NLTL in vergelijking met traditionele meervoudige elektronische constructies een groot voordeel. Waar conventionele systemen voor het genereren van hoogfrequente hoogspanningspulsen complexe, multistage opstellingen vereisen, kan een NLTL deze taak uitvoeren met een veel eenvoudiger en compacter ontwerp. Dit maakt het mogelijk om het apparaat gemakkelijker te integreren in systemen die hoge spanningen en hoge frequenties vereisen, zoals bij de productie van koude plasma's of bij bepaalde toepassingen in de ruimtevaarttechnologie.

De keuze van de materialen voor de varactoren in NLTL's is van groot belang. Traditionele halfgeleiders kunnen niet de vereiste spanningen en frequenties leveren, wat de opkomst van breedbandige halfgeleiders zoals siliciumcarbide (SiC) en gallium-nitride (GaN) noodzakelijk maakt. Deze materialen zijn bijzonder geschikt voor het gebruik in NLTL's vanwege hun hoge doorbraaksvoltage en snelheid. SiC en GaN bieden niet alleen een betere prestatie bij hogere spanningen, maar ook bij hogere temperaturen, wat hun geschiktheid voor veeleisende omgevingen verder vergroot.

Het gebruik van NLTL’s kan een revolutie teweegbrengen in de manier waarop we omgaan met vermogenselektronische systemen die hoge frequenties en spanningen vereisen. Van plasma-generatie tot mogelijk gebruik in ruimtevaarttechnologie, de veelzijdigheid van NLTL's belooft een breed scala aan nieuwe toepassingen.

Het is essentieel om te begrijpen dat de effectiviteit van een NLTL niet alleen afhangt van het ontwerp en de materialen die worden gebruikt, maar ook van de dynamica van de puls die door de transmissielijn wordt gestuurd. De interactie tussen non-lineariteit en dispersie vereist zorgvuldige afstemming om te voorkomen dat de puls verloren gaat in de complexiteit van het systeem. Bovendien biedt de mogelijkheid om de transmissielijn te "taileren" een manier om de prestaties verder te optimaliseren, wat een groot voordeel is in toepassingen waar nauwkeurigheid en efficiëntie cruciaal zijn.

Hoe verbetert de composietomvormerarchitectuur de efficiëntie en prestaties van hoogspannings-DC/DC-omvormers?

Het onderscheidende kenmerk van deze composietarchitectuur ligt in het hiërarchische besturingssysteem, dat bestaat uit module-niveau en systeem-niveau controllers die via een Controller Area Network (CAN) bus met elkaar communiceren. De module-niveau controller is verantwoordelijk voor snelle spanningsregulatie, transient-gedrag, bescherming en optimalisatie van de efficiëntie binnen de betreffende module. Tegelijkertijd beheert de systeem-niveau controller de overkoepelende functies zoals modusovergangen, diagnose en communicatie met externe systemen, bijvoorbeeld een voertuigcontroller.

De besturing op moduleniveau gebruikt geavanceerde technieken zoals aanpassing van schakel-frequentie en schakeltijden om ZVS-QSW (Zero Voltage Switching – Quasi Square Wave) te realiseren met minimale spoelrimpel over een breed scala aan bedrijfscondities. Bovendien verbetert fase-shedding de efficiëntie bij lichte belastingen door het uitzetten van ongebruikte fasen.

De systeem-niveau controller regelt de operationele modus van de gehele composietomvormer, waarbij bepaald wordt welke modules hoeveel spanning bijdragen afhankelijk van de benodigde omzettingsverhouding. Door slechts één module actief te laten schakelen en de andere modules in doorlaat- of uitgeschakelde modus te houden, worden indirecte vermogensverliezen aanzienlijk verminderd. Dit levert een hoog efficiëntieniveau op, dat experimenteel bevestigd wordt door metingen waarbij een CAFE-gewogen efficiëntie van 99% wordt behaald.

De grenzen waarbinnen modules mogen opereren, zijn strikt gedefinieerd aan de hand van systeemanalyse, betrouwbaarheidsoverwegingen en optimalisatie tijdens de topologiesynthese. Dit zorgt ervoor dat de modules niet alleen efficiënt, maar ook duurzaam functioneren. De samenstelling van de uitgangsspanning uit de som van de boost- en buck-boostspanningen, waarbij de DCX fungeert als een hoog-efficiënte, geïsoleerde spanningsvolger, maakt het systeem zeer flexibel.

Experimentele resultaten bevestigen dat het systeem consistent presteert volgens de voorspellingen, ook bij verschillende hoge spanningspunten. De implementatie van fase-shedding en ZVS-QSW zorgt ervoor dat verliezen beperkt blijven en de vermogensconversie uiterst efficiënt verloopt. De gebruikte meetmethodiek, waarbij modules afzonderlijk gekarakteriseerd worden over een reeks bedrijfspunten en de gegevens worden samengevoegd voor systeembrede verliescalculatie, maakt een nauwkeurige evaluatie van het systeem mogelijk.

Het is van belang te beseffen dat de efficiëntie van dergelijke systemen niet alleen afhankelijk is van de topologie en moduleontwerp, maar ook van de nauwkeurige coördinatie en regeling van de verschillende modules in real-time. De onderliggende communicatiearchitectuur en algoritmische modusovergangen spelen een cruciale rol bij het minimaliseren van verliezen en het handhaven van betrouwbaarheid onder wisselende belastingen.

Verder is het essentieel om te erkennen dat de materiaalkeuze, bijvoorbeeld het gebruik van SiC halfgeleiders bij hogere spanningen, niet alleen de prestaties verbetert maar ook de kosteneffectiviteit van het systeem verhoogt. De kostprijs van 1700 V apparaten is hoger dan die van 900 V apparaten bij gelijkblijvende halfgeleideroppervlakte, waardoor de samengestelde systeemaanpak, die optimaal gebruik maakt van elk type module, extra financieel voordeel kan bieden.

De praktische toepassing van dit ontwerpconcept vereist daarnaast aandacht voor thermische managementstrategieën, aangezien de temperatuur directe invloed heeft op de verliezen en daarmee op de algehele efficiëntie en levensduur van het systeem. Experimenten die bij lagere temperaturen uitgevoerd zijn, kunnen afwijkingen vertonen ten opzichte van werkelijke bedrijfstemperaturen, en dit moet bij de systeemoptimalisatie worden meegenomen.

De realisatie van de composietomvormer laat zien hoe een modulair, adaptief en intelligent geregeld systeem een doorbraak kan betekenen in de prestaties van hoogspannings-DC/DC-omzetting, met name voor toepassingen in elektrische voertuigen en energieopslag waar gewicht, volume en efficiëntie kritisch zijn. Het vermogen om via software gedefinieerde modusovergangen uit te voeren, gecombineerd met hardware-optimalisaties op modulair niveau, vormt een krachtige synergie die toekomstige innovaties binnen vermogenselektronica zal stimuleren.

Wat zijn de uitdagingen en oplossingen voor de elektrificatie van vliegtuigen?

Er zijn twee belangrijke categorieën van elektrificatie in vliegtuigen:

(a) More Electric Aircraft (MEA) vervangt geleidelijk verschillende secundaire niet-aandrijfsystemen, zoals hydraulische, pneumatische en mechanische systemen, door elektrische systemen.
(b) Electrified Propulsion Aircraft (EPA) vervangt het mechanische aandrijfsysteem volledig door elektrische aandrijfsystemen.

Net als bij de elektrificatie van auto's, wordt de elektrische aandrijving in vliegtuigen verder onderverdeeld in Hybrid Electric Propulsion (HEP) en All Electric Propulsion (AEP), afhankelijk van het niveau van elektrificatie.

De kerntechnologie voor al deze systemen is de high-performance, high-power AC-DC omzetters, die de ontwikkeling van innovatieve elektrische en mechanische systemen mogelijk maken. Deze systemen moeten voldoen aan de strenge eisen van de luchtvaartnormen, zoals DO-160, terwijl ze tegelijkertijd de ambitieuze doelen van lage emissie en brandstofbesparing behalen. Dit vereist dat de systemen economisch aantrekkelijk zijn door het verbeteren van de efficiëntie en het verhogen van de vermogensdichtheid.

Een van de grootste uitdagingen bij de ontwikkeling van elektronische converters voor hoogvermogen (meer dan 100 kW) in vliegtuigen is het voldoen aan de eisen van elektromagnetische interferentie (EMI) en de stroomkwaliteitsnormen. Heden ten dage zijn de meeste high-power elektronische converters in More Electric Aircraft (MEA) gebaseerd op silicium (Si) halfgeleiders, die conventionele twee-niveau topologieën gebruiken. Deze systemen werken bij lage schakelfrequenties (rond de 10 kHz) en lage busspanningen (±270 VDC), wat leidt tot grote schakelpiekspanningen bij lage frequenties. Dit veroorzaakt een hoog niveau van harmonischen en ruis, waarvoor zware filters nodig zijn om te voldoen aan de strenge eisen van de luchtvaartstandaarden op het gebied van stroomkwaliteit en EMI. De traditionele filters zijn vaak gebaseerd op passieve componenten, zoals grote inductoren en condensatoren, wat leidt tot een zware, volumineuze filteroplossing die de efficiëntie en vermogensdichtheid van het systeem aanzienlijk vermindert.

Een goed voorbeeld van deze uitdaging is de filtergrootte in de Common Motor Stater Controller (CMSC) van een More Electric Aircraft, waarbij de filtercomponenten meer dan 60% van de totale convertergrootte uitmaken. Dit verhoogt niet alleen het gewicht en de omvang van het systeem, maar verhoogt ook de kosten en vermindert de efficiëntie. De verhoogde verliezen in de Si-gebaseerde vermogenselementen en in de zware passieve componenten maken de stroomomzetters inefficiënt, wat leidt tot hoge koelbehoeften en dus een complexere en kostbare thermomanagementinfrastructuur, zoals een grote vloeistofkoelsysteem voor de elektronica.

Verder zorgt de verhoogde vraag naar vermogen (in de megawattklasse) in de nieuwe generatie vliegtuigen bij de bestaande lage busspanningen voor een aanzienlijke toename van geleidings- en schakellossers. Deze verliezen beperken de vermogensdichtheid en efficiëntie van de huidige Si-gebaseerde elektronische converters. Een oplossing voor dit probleem zou kunnen zijn om de busspanning te verhogen naar ~1 kV. Dit zou de stromen in de elektrische systemen verminderen en de verliezen helpen verlagen, maar de Si-gebaseerde ontwerpen zijn nog steeds te omvangrijk en inefficiënt voor deze hoge spanningen en vermogens.

In dit opzicht kunnen Wide Band-Gap (WBG)-halfschilders aanzienlijke vooruitgangen bieden. WBG-materialen, zoals siliciumcarbide (SiC) en galliumnitride (GaN), kunnen veel hogere temperaturen, spanningen en frequenties aan dan traditionele Si-componenten. Dit resulteert in converters met een hogere efficiëntie, een compacter ontwerp, minder warmteverlies en een grotere vermogensdichtheid. Deze technologie is dus essentieel voor de volgende generatie van high-power elektrische vliegtuigen.