Wat zijn de vooruitzichten voor de integratie van Wide-Bandgap (WBG) elektronica in de luchtvaart?

De integratie van elektrische aandrijfsystemen in de luchtvaart vereist niet alleen nieuwe motoren en energieopslagsystemen, maar ook een heroverweging van de elektrotechnische componenten die deze systemen aandrijven. Een van de meest veelbelovende innovaties op dit gebied zijn de zogenaamde wide-bandgap (WBG) halfgeleiders, die de efficiëntie van luchtvaarttechnologieën drastisch kunnen verbeteren. Deze WBG-componenten maken het mogelijk om de gewicht- en vermogensdichtheid van elektronische systemen te verhogen, wat essentieel is voor de ontwikkeling van hybride en volledig elektrische vliegtuigen, zoals de eVTOL (electric Vertical Take-Off and Landing) en de "blown wing" technologieën.

De implementatie van WBG-elektronica in luchtvaarttoepassingen biedt enorme voordelen op het gebied van energieverbruik en prestatieverbetering. Ondanks dat de initiële verbeteringen in efficiëntie vaak slechts een klein percentage lijken, kunnen deze voordelen op systemisch niveau aanzienlijke besparingen in gewicht, energieverbruik en algehele vliegtuigprestaties opleveren. Dit heeft een directe impact op de commerciële haalbaarheid van elektrische luchtvaart, aangezien het de benodigde batterijcapaciteit voor een nuttig bereik en laadvermogen aanzienlijk verlaagt.

Ampaire, een pionier op het gebied van hybride elektrische vliegtuigen, heeft bijvoorbeeld een testplatform ontwikkeld om WBG-technologieën in de lucht te testen. Dit testbed maakt het mogelijk om geavanceerde SiC (siliciumcarbide) omvormers in een realistische vluchtomgeving te testen. Dankzij een architectuur van 800 V kunnen deze systemen zonder extra ballast van externe stroombronnen worden getest, wat niet alleen de kosten van het testen verlaagt, maar ook de snelheid en flexibiliteit van de testen vergroot. Dit biedt waardevolle inzichten die cruciaal zijn voor de ontwikkeling van de volgende generatie vliegtuigelektronica.

In de praktijk zijn er tal van componenten die het gebruik van WBG-technologie mogelijk maken in de luchtvaart. Zo werd bijvoorbeeld een solide-state breaker getest in een van Ampaire’s vliegtuigen. Dit apparaat, ontwikkeld door het Illinois Institute of Technology, heeft de mogelijkheid om kortsluitingen te onderbreken en de batterij op te laden bij een hoogspanningsbus, wat de veiligheid en betrouwbaarheid van de vlucht aanzienlijk verbetert. In tegenstelling tot traditionele mechanische schakelaars, kan deze breaker veel sneller reageren op overspanningsomstandigheden en biedt het een veel grotere mate van betrouwbaarheid. Dit is van cruciaal belang voor elektrische vliegtuigen, waarbij veiligheid en de mogelijkheid om snel te reageren op storingen essentieel zijn.

Daarnaast bieden de mogelijkheden om nieuwe motoren en aandrijfsystemen in een hybride configuratie te integreren, zoals die van Ampaire, veelbelovende vooruitzichten voor de toekomst van de luchtvaart. Door gebruik te maken van een hybride systeem waarin de verbrandingsmotor en de batterij samen kunnen werken, wordt het mogelijk om alleen de batterij aan te spreken voor de vlucht, terwijl de verbrandingsmotor slechts zorgt voor de stroombehoefte tijdens de kruissnelheid. Dit biedt niet alleen economische voordelen, maar kan ook bijdragen aan een grotere autonomie van het vliegtuig, zonder concessies te doen aan de prestaties.

Hoe kan een goedkope gate driver IC de toepassing van GaN HEMT’s in motorbesturingen mogelijk maken?

De adoptie van galliumnitride (GaN) apparaten in de laagvermogen-elektronica, zoals in huishoudelijke motoren, wordt belemmerd door het ontbreken van betaalbare en efficiënte gate driver IC's. Terwijl siliconen-gebaseerde FREDFET’s relatief eenvoudig met één enkele gate driver IC een motorfase kunnen aansturen, vereisen GaN schakelaars doorgaans twee gate driver chips per device. Voor een driefasige motoropstelling betekent dit een enorme toename in het aantal benodigde componenten, wat het geheel duur en complex maakt.

GaN HEMT’s zijn technisch superieur qua schakelsnelheid en efficiëntie, maar dit brengt uitdagingen met zich mee. Een van de belangrijkste eisen in motorbesturing is het beperken van de dV/dt, oftewel de snelheid waarmee de spanning verandert, tot ongeveer 5 V/ns om corona-ontladingen en elektromagnetische interferentie (EMI) te voorkomen. De standaard GaN gate drivers schakelen echter veel sneller (100–200 V/ns), wat de motor kan beschadigen en ruis veroorzaakt.

Traditionele methoden om de dV/dt te beperken, zoals het toevoegen van een serieweerstand bij de gate, werken niet effectief bij GaN HEMT’s vanwege hun sterk niet-lineaire gate-drain capaciteit (Cgd). Deze capaciteit verandert aanzienlijk met de spanning, waardoor de dV/dt tijdens de schakeling varieert en de schakelfase aan de randen traag verloopt, met als gevolg hogere schakelverliezen.

Voor de praktische validatie werd een emulatorbord ontwikkeld dat deze principes toepast en getest op 600 V GaN HEMT’s met een weerstand van 190 mΩ. De gemeten schakelformes bevestigden dat de dV/dt gecontroleerd kon worden gehouden rond 5 V/ns over een breed stroomgebied, wat betekent dat motoren van 50 tot 200 W met kleinere GaN HEMT’s efficiënt en betrouwbaar kunnen worden aangestuurd.

Hoewel monolithische integratie van GaN gate drivers in opkomst is, blijft de functionele en kostenefficiënte splitsing tussen siliconen-gebaseerde driver IC’s en GaN power devices voorlopig de meest haalbare oplossing voor de markt. Deze ontwikkelingen zijn cruciaal om de brede inzet van GaN technologie in consumententoepassingen mogelijk te maken, waarbij kosten, betrouwbaarheid en prestaties in balans worden gebracht.

Hoe Zachte Schakeling de Toekomst van Krachttransformatie Vormt

De ontwikkeling van de MV-S4T (Medium Voltage Solid-State Transformer) vertegenwoordigt een belangrijke vooruitgang in de elektrische energieconversie, met name voor toepassingen die flexibele en bidirectionele energiestromen vereisen. In dit systeem wordt gebruik gemaakt van geavanceerde technologieën zoals wide band gap SiC (silicon carbide) MOSFET’s, die essentieel zijn voor de succesvolle werking van deze transformator. Dit maakt het mogelijk om energieoverdracht tussen verschillende spanningsniveaus efficiënter en met minder verliezen te realiseren.

Een van de cruciale elementen van de MV-S4T is het gebruik van een hoge-frequentie transformator die zorgt voor isolatie tussen de verschillende spanningsniveaus. De keuze van de componenten, zoals de inductoren L1 en L2, speelt een essentiële rol in het waarborgen van de veiligheid en betrouwbaarheid van het systeem. Deze inductoren worden gewikkeld met 30 kV-kabel en zijn gebaseerd op luchtkernen om verzadiging bij hoge stroompieken te voorkomen. De inducties zijn zorgvuldig gekozen, met een waarde van 150 μH, om de stroomverdeling tussen de modules M1 en M2 proportioneel te maken aan hun respectieve energieabsorptiecapaciteit. Dit ontwerp zorgt ervoor dat de lagere-module M2 minder stroom afvoert dan de hogere-module M1, waardoor de levensduur van M2 wordt behouden.

De gedetailleerde simulatie van het systeem bevestigt de effectiviteit van het voorgestelde bliksembeveiligingsschema, dat niet alleen voldoet aan de 250/2500 μs schakelpuls-test, maar ook de veiligheid en betrouwbaarheid van het systeem garandeert onder realistische bedrijfsomstandigheden. De resultaten uit de experimenten tonen aan dat de spanningsbalans tussen de modules goed wordt gehandhaafd, zelfs tijdens transiënten, en dat de overspanning op de laagspanningswikkelingen van de transformator minimaal blijft.

De noodzaak van dynamische spanningsverdeling tussen de serie-verbonden convertermodules is een andere uitdaging die met succes werd aangepakt. Door gebruik te maken van geavanceerde besturingsstrategieën, inclusief de juiste gatingtijden en capacitantiecompensatie, kan het systeem zowel bij normale als bij abnormale bedrijfsomstandigheden goed presteren.

Naast de prijs speelt de duurzaamheid van de technologie ook een cruciale rol in de langetermijnontwikkeling van de MV-S4T. De laagfrequente afstemming van het systeem en het potentieel voor gedeeltelijke ontladingen in de transformatorkern kunnen de levensduur van de transformator beïnvloeden. Verder is de nauwkeurigheid van stroommeting en de mogelijkheid om spanningspieken te beheren van essentieel belang voor het behoud van de betrouwbaarheid van het systeem, vooral bij grotere vermogensniveaus.

Vanuit technologisch oogpunt heeft de MV-S4T veelbelovende prestaties geleverd en zijn de meeste doelen behaald. De implementatie van SiC-technologie heeft een sleutelrol gespeeld in het succes van het systeem. Toch blijven er belangrijke obstakels bestaan, zowel op het gebied van kosten als technische complexiteit, die overwonnen moeten worden om deze technologie breed toepasbaar te maken.

De sleutel tot commercialisering zal liggen in het optimaliseren van het ontwerp voor grootschalige productie en het verbeteren van de systeemintegratie, met name voor toepassingen in het kader van de energietransitie. Het vermogen van de MV-S4T om bidirectionele energiestromen efficiënt te beheren en te zorgen voor een veilige en betrouwbare werking, maakt het een waardevolle component voor toekomstige energienetwerken.