Повышение энергоэффективности систем электроснабжения транспортных средств тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.03, кандидат наук Татуйко Павел Станиславович

• Татуйко Павел Станиславович
• кандидат наук
• 2020

Оглавление диссертации кандидат наук Татуйко Павел Станиславович

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ТЕНДЕНЦИЙ РАЗВИТИЯ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОДВИЖЕНИЯ И ОСНОВНЫХ НАПРАВЛЕНИЙ ПОВЫШЕНИЯ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ ИХ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

1.1 Развитие технологий электродвижения

1.2 Технологии ВТСП

1.3 Преобразователи электрической энергии для систем электродвижения

1.4 Резонансное переключение и «мягкая» коммутация полупроводниковых ключей

1.5 Выводы

ГЛАВА 2. АНАЛИТИЧЕСКИЙ РАСЧЁТ И ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ОСНОВНЫХ ТИПОВ РЕЗОНАНСНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

2.1 Резонансный преобразователь с последовательным LC резонансным контуром

2.2 Резонансный преобразователь с параллельным резонансным LC контуром

2.3 Резонансный преобразователь с последовательно-параллельным LCC резонансным контуром

2.4 Резонансный преобразователь с последовательно-параллельным LLC резонансным контуром

2.5 Выводы

ГЛАВА 3. МЕТОДИКА РАСЧЁТА И КОМПЬЮТЕРНОЕ ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОЛУМОСТОВОГО РП с ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНО-ПАРАЛЛЕЛЬНЫМ LLC РЕЗОНАНСНЫМ КОНТУРОМ

3.1 Процессы, протекающие при коммутации ключей в полумостовом РП с последовательно-параллельным LLC резонансным контуром

3.2 Методика расчёта полумостового РП с последовательно-параллельным LLC резонансным контуром

3.3 Компьютерное имитационное моделирование РП с последовательно-параллельным LLC резонансным контуром

3.4 Гистерезис выходной ёмкости МОП-транзистора

3.5 Выводы

ГЛАВА 4. ОСОБЕННОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОННОЙ КОМПОНЕНТНОЙ БАЗЫ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ПРИ КРИОГЕННОМ ОХЛАЖДЕНИИ

4.1 Характеристики полупроводников при функционировании в криогенных температурах

4.2 Практические результаты измерений характеристик транзисторов при функционировании в криогенных температурах

4.3 Теоретическое обоснование характеристик полевых МОП-транзисторов при функционировании в криогенных температурах

4.4 Выводы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

СЛОВАРЬ ТЕРМИНОВ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ А. Расчёт полумостового резонансного преобразователя с

последовательно-параллельным LLC-резонансным контуром

ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Акт о внедрении результатов

ПРИЛОЖЕНИЕ В. Акт внедрения в учебный процесс

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение энергоэффективности систем электроснабжения транспортных средств»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. Быстрые темпы роста современной промышленности, а также стремительное развитие систем электродвижения, электроэнергетических комплексов и систем приводят к росту требований, предъявляемых к системам электропитания для устройств радиоэлектронной аппаратуры, к эффективности использования электрической энергии и качеству питающей сети. Задачи увеличения эффективности, производительности, уменьшения затрат потребляемой энергии, повышения плотности монтажа, снижения массогабаритных показателей систем электроснабжения транспортных средств являются наиболее актуальными.

Для обеспечения требуемым стабилизированным напряжением систем электроснабжения устройств радиоэлектронной аппаратуры используются импульсные источники вторичного электропитания, обеспечивающие гальваническую развязку между силовой цепью и цепью стабилизированного напряжения. Работа данных устройств основана на принципе высокочастотного преобразования электрической энергии. Однако повышение частоты коммутации влечёт за собой повышение динамических потерь на токопроводящих элементах, участвующих в преобразовании электрической энергии (транзисторы, трансформатор, диоды и т.д.). Возросшие потери вызывают нагрев элементов, в связи с чем требуется обеспечение теплоотвода и, как следствие, наблюдается увеличение массогабаритных показателей.

Использование резонансных топологий импульсных преобразователей позволяет существенно снизить динамические потери на полупроводниковых силовых ключах, повысить удельные характеристики импульсных источников вторичного электропитания. Однако данное решение обеспечивает требуемый положительный эффект при мощности системы электроснабжения до 500...1000 кВт. При более высоких уровнях мощности происходит кратное увеличение значений масс и объёмов систем охлаждения, что снижает

эксплуатационные показатели системы электроснабжения мощных наземных, морских и воздушных транспортных средств.

Применение высокотемпературных сверхпроводниковых (ВТСП) технологий и систем криогенного охлаждения при создании перспективных устройств электродвижения позволит добиться снижения их массы, приведёт к уменьшению их объёма, повышению удельных энергетических характеристик, росту производительности и увеличению эффективности преобразования энергии.

Степень разработанности темы исследования. Исследованиями в области повышения энергоэффективности преобразователей электрической энергии на основе импульсных топологий и изучением ВТСП-технологий для систем электродвижения занимались Г.А. Дубенский, М.П. Бадёр, Г.А. Белов, Р.И. Ильясов, Л.К Ковалёв, К.Ю. Ковалёв, Ю.И. Кован, С-М.А. Конеев, В.И. Мелешин, , Ya Lui, Alex Dumais, Christophe Basso, Silvio de Simone, Bo Yang и другие учёные. За рубежом работы в направлении развития технологий электродвижения находятся на этапе поисковых исследований и реализуются под руководством Национального авиакосмического агентства (NASA) и Федерального управления гражданской авиации (FAA), Управления перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США (DARPA). Также запатентованные решения в области повышения энергоэффективности систем электроснабжения транспортных средств принадлежат таким зарубежным компаниям, как Yunnan Power Grid Co Ltd Electric Power Res Inst (Китай), Univ Colorado Regents (США), Northrop Grumman Systems Corp (США), Psiquantum Corp (США), Univ Bologna Alma Mater (Италия), Microsoft Technology Licensing Llc (США), Electric Power Res Inst (США), Intel Corp (США), Int Superconductivity Tech (Япония), Japan Superconductor Technology Inc (Япония), Railway Technical Res Inst (Япония), Lsis Co Ltd (Корея), Yichang Putaike Electric Power Science & Tech Co Ltd (Китай), Siemens AG (Германия), Karlsruher Inst Technologie (Германия),

Mcdougall Ian Leitch (Великобритания), Shanghai Inst Microsystem & Information Tech Cas (Китай), Crystalline Mirror Solutions Gmbh (Австрия), Hezhen Electronic Tech Shanghai Co Ltd (Китай). Необходимо дальнейшее развитие перспективных направлений повышения энергоэффективности транспорта в нашей стране.

Цель работы: повышение энергоэффективности систем электроснабжения транспорта на основе применения резонансной топологии импульсных статических преобразователей и анализ возможности функционирования полупроводниковых компонентов статических преобразователей в криогенном контуре электродвижения.

Для достижения поставленной цели в работе были поставлены и решены следующие задачи:

1. Анализ тенденций развития систем электродвижения и основных направлений повышения энергоэффективности их электроснабжения.

2. Аналитический расчёт и исследование режимов работы основных типов резонансных преобразователей, выбор топологии преобразователя наиболее целесообразной для транспортных средств.

3. Разработка методики расчёта и компьютерное имитационное моделирование полумостового резонансного LLC-преобразователя.

4. Проведение теоретических и экспериментальных исследований в области определения характеристик элементной базы полупроводниковых преобразователей при функционировании в среде жидкого азота.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

- произведён аналитический расчёт и определение режимов работы резонансных преобразователей с последовательным резонансным LC контуром, параллельным резонансным LC контуром, последовательно-параллельным резонансным LCC контуром и последовательно-параллельным резонансным LLC контуром, выявлены особенности функционирования, определяющие применение данных топологий в составе систем

электродвижения, в частности, в составе источников вторичного электропитания;

- обосновано, что для использования в составе источников вторичного электропитания транспортных средств наиболее предпочтительным является резонансный преобразователь с последовательно-параллельным LLC резонансным контуром;

- разработана методика расчёта резонансного преобразователя с последовательно-параллельным LLC резонансным контуром и методика оценки гистерезиса выходной ёмкости MOSFET-, SiC- и GaN-транзисторов, влияющего на функционирование резонансного преобразователя;

- исследованы характеристики силовых полупроводниковых ключей при работе в среде жидкого азота, произведён аналитический расчёт и выявлена корреляция с эмпирическими данными; определены типы полупроводниковых ключей, на параметры которых криогенные температуры влияют наилучшим образом и которые могут быть использованы в системе электроснабжения транспортного средства, функционирующей в едином криогенном контуре.

Теоретическая и практическая значимость работы.

1. Выполнен анализ и исследованы свойства основных типов резонансных полупроводниковых преобразователей, результаты исследования определяют тип и структуру импульсного преобразователя, применение которого в составе систем электродвижения наиболее целесообразно и позволяет повысить энергоэффективность источников вторичного электропитания систем электроснабжения транспортных средств.

2. Разработана методика параметрического синтеза резонансного преобразователя с последовательно-параллельным LLC резонансным контуром и произведена оценка гистерезиса выходной ёмкости MOSFET-, SiC-и GaN-транзисторов.

3. Результаты проведённых исследований электронной компонентной базы определяют состав изделий, применение которых в коммутационном оборудовании и преобразовательной технике для систем электродвижения с криогенным охлаждением оказывается возможным.

4. Результаты исследования использованы при разработке концепции развития силовой компонентной базы и преобразовательной техники для применения в системах ВТСП-электродвижения при выполнении аванпроекта по заданию Фонда перспективных исследований, договор №6/164/2019-2020ав.

5. Результаты исследования использованы при разработке модулей питания класса AC/DC при выполнении опытно-конструкторской работы по заданию Министерства промышленности и торговли Российской Федерации, ГК №16411.4432017.11.112.

Методология и методы исследования. Для решения поставленных задач использовались теоретические и эмпирические методы исследования, базирующиеся на фундаментальных положениях теории электрического преобразования энергии, теории сверхпроводимости, теории цепей, а также методы компьютерного моделирования.

Достоверность результатов, полученных в диссертации, обеспечивается применением методов натурного эксперимента, прототипирования, удовлетворительным совпадением результатов расчёта на имитационных компьютерных моделях, выполненных в программных комплексах LTSpice и Matlab Simulink, а также отсутствием противоречий результатов исследований с данными, опубликованными в научной литературе.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Результаты аналитического расчёта основных типов полупроводниковых резонансных преобразователей напряжения и выявленные на основе сравнения особенности их применения в составе систем электродвижения.

2. Методика расчёта и компьютерного моделирования резонансного преобразователя с последовательно-параллельным LLC резонансным контуром и результаты оценки гистерезиса выходной ёмкости MOSFET-, SiC-и GaN-транзисторов, влияющего на функционирование резонансного преобразователя.

3. Результаты анализа эмпирических зависимостей параметров элементной базы импульсного преобразователя транспортного средства при функционировании в среде жидкого азота.

Соответствие научно-квалификационной работы специальности 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы. Рассматриваемые в работе задачи соответствуют паспорту специальности 05.09.03 -«Электротехнические комплексы и системы» по следующим пунктам:

п. 1 «Развитие общей теории электротехнических комплексов и систем, изучение системных свойств и связей, физическое, математическое, имитационное и компьютерное моделирование компонентов электротехнических комплексов и систем»;

п. 3 «Разработка, структурный и параметрический синтез электротехнических комплексов и систем, их оптимизация, а также разработка алгоритмов эффективного управления»;

п. 4 «Исследование работоспособности и качества функционирования электротехнических комплексов и систем в различных режимах, при разнообразных воздействиях».

Апробация результатов. Основные положения научно-квалификационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: Х и XI научно-технической конференции молодых специалистов по радиоэлектронике (2017, 2018 г., ОАО «Авангард» г. Санкт-Петербург), XIV научно-технической конференции «Системы и источники вторичного электропитания и элементная база для них» (2017 г., АО «ГК «Электронинвест» г. Москва), I и II научно-практической

конференции с международным участием «САПР и моделирование в современной электронике» (2017, 2018 г., БГТУ г. Брянск), при проведении круглого стола «Развитие силовой электроники и преобразовательной техники для систем электродвижения на основе эффектов высокотемпературной сверхпроводимости» (2019, ОАО «Авангард» г. Санкт-Петербург), международной научной конференции «СУММА» (Системы Управления, Математическое Моделирование и Автоматизация в промышленности и энергетике) (2019 г., ЛГТУ г. Липецк), на семинаре ассоциации ЭлектроАгро (2019 г.); являюсь лауреатом всероссийского конкурса «Инновационна электроника» (2018 г., ЦНИИ Электроника г. Санкт-Петербург), финалистом второго российско-китайского конкурса индустриальных инноваций INNOVATION AWARDS, удостоен премии В.П. Ковешникова ОАО «Авангард» за разработку инновационной продукции по направлению Источники вторичного питания.

Публикации. По теме научно-квалификационной работы опубликовано 9 печатных работ, в том числе одна статья в журнале, входящем в перечень ВАК РФ и одна статья, входящая в международную систему цитирования SCOPUS.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ТЕНДЕНЦИЙ РАЗВИТИЯ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОДВИЖЕНИЯ И ОСНОВНЫХ НАПРАВЛЕНИЙ ПОВЫШЕНИЯ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ ИХ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

1.1 Развитие технологий электродвижения

В соответствии с прогнозами автомобильной и авиационной отрасли, численность парка электрических транспортных средств к 2050 году должна составить не менее 64% от их общего количества. Развитие систем электродвижения напрямую связано с развитием электроэнергетических комплексов, включающих в себя системы накопления, преобразования и передачи энергии, а также технологий электродвижения, позволяющих применять новые компоновочные и аэродинамические решения с одновременным существенным снижением стоимости производства и совершенствованием эксплуатационных показателей.

Повышение уровня электрификации транспортных средств (ТС) приводит к увеличению доли, занимаемой электрооборудованием, до более чем 16 % от его чистой массы (при мощности бортовых источников до 300 кВт). При мощности бортовых источников свыше 500 кВт прирост доли электротехнического и вспомогательного оборудования составляет уже более 34 % с пропорциональным увеличением тепловыделения, что оказывает значительное влияние на характеристики транспортных средств.

Прирост массы электротехнического оборудования обусловлен:

- ростом массы и габаритов преобразовательной техники;

- необходимостью использования дополнительных систем охлаждения и кондиционирования.

Отвод тепла и поддержание нормальных температурных условий работы электротехнического оборудования на ТС обеспечивается жидкостными и комбинированными системами охлаждения, при этом приемлемые массовые и габаритные характеристики электротехнического оборудования с указанными системами охлаждения обеспечиваются при

мощности источников в пределах 500... 1000 кВт. При более высоких уровнях мощности происходит кратное увеличение масс и объёмов систем охлаждения.

В устройствах электродвижения вопросы уменьшения массы и объёма систем преобразования энергии очень важны для достижения высокой плотности мощности, высокой эффективности, повышения надёжности, улучшения скоростных и аэродинамических характеристик. Не менее важная задача состоит в модернизации систем теплоотвода. Данная проблема ограничивает использование систем электродвижения в воздушных, морских и мощных наземных транспортных средствах.

В качестве вариантов решения данной проблемы представляется совершенствование электронной компонентной базы, демонстрирующей улучшенные характеристики, способствующие снижению величины электрических потерь при работе силовых преобразователей энергии; разработка новых структур силовых преобразователей с повышенным коэффициентом полезного действия (КПД), а также применение систем на основе технологий высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП) и криогенного охлаждения для преобразовательной техники.

1.1.1 Системы электродвижения наземного назначения

В зависимости от сферы применения, все транспортные средства делятся на наземные, морские и воздушные. К наземным ТС относятся пассажирские и грузовые автомобили (электромобили), а также железнодорожный транспорт.

Производство автомобилей - одна из наиболее устойчивых промышленных отраслей в Европе, на которую приходятся миллионы рабочих мест, миллионы евро инвестиций и значительная часть экспорта континента [1]. В настоящее время данная сфера промышленности претерпевает настоящую революцию, направленную на повышение

безопасности как самих автомобилей, так дорожного движения в целом. Немаловажным фактором является ориентация ключевых производителей автомобильной промышленности на создание экологически чистого транспорта.

Автомобильная промышленность является абсолютным лидером по количеству инвестиций, направленных на модернизацию, совершенствование и создание принципиально новых принципов, технологий движения и развития систем электродвижения в частности. Так, в странах Европейского союза (ЕС) доля инвестиций, направленных на проведение опытно-конструкторских и научно-исследовательских работ превышает 28% от общего числа инвестиций. На рисунке 1 приведена доля НИОКР в секторах ЕС.

Автомобильная промышленность

Биотехнологии

Другие отрасли

Технологическое оборудование

Электрическое оборудование

Компьютерные технологии

Промышленность Авиация и оборона

Банковское дело

Химическая промышленность

Здравоохранение

15,8

5,4

8,9

10

20

36

,6

30 40

млрд. €

50

57,4

60

70

8

0

Рисунок 1. Доля НИОКР в секторах ЕС

Как следует из доклада Европейской ассоциации автопроизводителей, за 2019 год продажи автомобилей с двигателем внутреннего сгорания в странах ЕС сократились на 14,1%, в то время как количество продаж электромобилей в годовом исчислении увеличилось на 51,8% [2]. На рисунке 2 изображены объёмы продаж автомобилей в процентном соотношении на территории ЕС за третий квартал 2019 года.

Электрические заряжаемые транспортные средства; 3,10%

Гибридные электромобил...

Альтернативны е

неэлектричес...

Рисунок 2. Динамика продаж автомобилей на территории ЕС за третий

квартал 2019 года

Важнейшим фактором, стимулирующим столь существенный рост парков «электрического» транспорта, является развитие электроэнергетических комплексов, включающих в себя системы накопления, преобразования и передачи энергии, а также технологий электродвижения, позволяющих применять новые компоновочные и аэродинамические решения с одновременным существенным снижением стоимости производства и совершенствованием эксплуатационных показателей.

Динамичное повышение спроса со стороны населения на легковые автомобили с альтернативными источниками энергии наблюдается не первый год. Наиболее наглядно данный процесс продемонстрирован на рисунке 3, где в процентном соотношении указана динамика спроса на легковые автомобили на территории ЕС за период времени с 2015 по 2018 год.

Рисунок 3. Динамика спроса на легковые автомобили по типу топлива в ЕС

Концепция электромобиля подразумевает под собой транспортное средство, работающее на возобновляемых источниках энергии. Однако, не смотря на растущий интерес со стороны потребителей, в настоящее время использование систем электродвижения с полностью электрическим двигателем ограничивает отсутствие соответствующей инфраструктуры, необходимой для эксплуатации ТС. Данное ограничение способствует росту популярности гибридных силовых двигательных установок, которые помимо снижения расхода топлива и уменьшения вредных выбросов в атмосферу способствуют разработке соответствующей инфраструктуры для эксплуатации систем электродвижения и дают потребителям время адаптироваться к использованию новых видов техники [3]. Осуществляется поэтапная электрификация автомобилей, затрагивающая как отдельные его модули (системы освещения, кондиционирования), так и корректирующая принципы работы ТС в целом (системы старт/стоп, заряд АКБ при торможении и движении по наклонной поверхности для наземных ТС либо при снижении высоты полёта для летательных аппаратов (ЛА) и др.).

Согласно принятым стандартам европейской ассоциации автопроизводителей, по типу двигательной установки автомобили подразделяются на следующие категории:

• Petrol - ТС с бензиновым двигателем;

• Diesel - ТС с дизельным двигателем;

• BEV (Battery Electric Vehicle) - ТС на аккумуляторных батареях;

• HEV (Hybrid Electric Vehicle) - ТС, в котором для осуществления передвижения используется совмещение электрической силовой установки (электродвигателя) и силовой установки на ином виде топлива в разных формах взаимодействия;

• PHEV (Plug in Hybrid Electric Vehicle) - то же самое, что и HEV, только с возможностью заряда АКБ от внешнего источника;

• AVP (Alternatively-Powered Vehicles) - ТС, силовая установка которых работает на альтернативных видах топлива.

Исследования аналитической компанией IHS Markit показывают, что к 2025 году 17,6% мирового производства легковых автомобилей будет иметь возможность подзаряжать аккумуляторные батареи (АКБ) транспортного средства от внешнего источника питания, например, обычной розетки [4].

Как правило, предельная мощность систем электроснабжения ТС наземного назначения не превышает 500 кВт. Текущий уровень развития технологий преобразовательной техники и электронной компонентной базы (ЭКБ) позволяет использовать традиционные решения в составе транспортно-энергетического модуля электромобилей без существенного увеличения объёмов и масс систем теплоотвода, что подтверждается наличием коммерческих продуктов на рынке автомобильной промышленности как у Российских (компании Zetta, АвтоВаз, концерн «Калашников», автоконцерн «Монарх» и других ), так и у мировых компаний (Tesla Motors, Toyota Motor Corporation, Rivian, Volvo Group, Honda Motor Company, BMW Group, Hyundai Motor Company, Groupe Renault и многих других).

Развитие систем железнодорожного движения предполагает создание отечественного высокоскоростного транспорта с магнитным подвесом на

основе объёмных ВТСП элементов [5], а также использование ВТСП -технологий в тяговом электроснабжении и силовом электрооборудовании [6]. В настоящее время зарубежный поезд типа Маглев [7], разработанный с применением сверхпроводящих магнитов, является одной из самых перспективных высокоскоростных систем общественного транспорта, использование которой позволяет развивать скорости свыше 500 км/ч, снижая при этом уровень выбросов углекислого газа (СО2) более чем на 60% по сравнению с традиционными системами железнодорожного движения.

1.1.2 Системы электродвижения воздушного назначения

Аэрокосмическая отрасль сталкивается с теми же проблемами, касающимися уменьшения выбросов, экономии топлива, снижения стоимости и габаритов, что и автомобильная. Также наблюдается тенденция к отказу от механических и пневматических систем и переход на полностью электрическую архитектуру исполнительных механизмов ЛА. Развитию данного направления способствует то, что ведущие мировые регулятивные органы, такие как европейское агентство по аэронавтике, национальное авиакосмическое агентство и многие другие устанавливают нормативно-правовые требования, согласно которым уровень выбросов углекислого газа (СО2) в атмосферу должен быть снижен не менее чем на 50% за счёт резкого снижения расхода топлива. Также необходимо сократить количество выбросов оксида азота (NO^ на 80%, снизить акустический шум, создаваемый двигательными установками современных ЛА, на 50%. Устанавливаются требования по проработке экологичного жизненного цикла устройств при проектировании, разработке, эксплуатации и утилизации. Большинство из поставленных целей может быть достигнуто за счёт электрификации ЛА.

Количество электроэнергии, используемой как гражданскими, так и военными ЛА, неуклонно растёт. Пассажирские самолёты, такие как Boeing 787 и Airbus 380, используют большое количество современных

решений в области преобразования электроэнергии и её использовании в процессе эксплуатации воздушного судна. Так, например, в Boeing 787 реализованы технологии, способствующие существенному увеличению мощности электроэнергии, генерируемой двигателем воздушного судна. Выработка электроэнергии в самолёте Boeing 747 составляет 480 кВА, в то время как в современных ЛА, таких как Airbus A380 - 840 кВА, а в Boeing 787 - 1450 кВА.

Развитие систем электродвижения воздушных судов связано с развитием критических технологий, позволяющих добиться прорывных решений. За рубежом в целях достижения максимального опережающего научно-технического задела в области развития систем электродвижения воздушных судов проводятся работы по формированию облика, принципов функционирования авиационной техники. Прорабатываются вопросы снижения сроков и стоимости разработки ЛА. Реализуются государственные программы, с помощью которых осуществляется эффективное управление технологическим процессом авиадвигателестроения и обеспечивается конкурентоспособность выпускаемой продукции [8]. Так, например, национальным управлением по аэронавтике и исследованию космического пространства США (NASA) были предложены концепции перспективных самолётов с электрифицированными силовыми установками, представленные в таблице 1. Изначально ввод в эксплуатацию данных ЛА был запланирован на 2045 г., однако бурное развитие технологий двигателестроения, улучшение характеристик современной ЭКБ, развитие технологий композитных материалов позволяют сократить установленные ранее сроки с вводом в эксплуатацию не позднее 2035 г. [9-12].

Таблица 1 - Концепции перспективных самолётов с электрифицированными силовыми установками

Тип Кол-во Число Тип ЛА Тип силовой Мощность,

самолёта пассажиров Маха установки МВт

STARC- ABL, NASA 154 0,8 Труба + крыло частично турбоэлектрическая 2...3

SUGAR Freeze, Boeing 154 0,7 Труба + крыло с подкосом частично турбоэлектрическая -

N3-X, NASA 300 0,84 Гибридное крыло Турбоэлектрическая 50

ECO-150, ESA 150 0,7 Труба + крыло Турбоэлектрическая -

SUGAR Volt, Boeing 154 0,7 Труба + крыло с подкосом Параллельная гибридно-электрическая 1,3.5,3

RollsRoyce, концепция 154 0,7 Труба + крыло Параллельная гибридно-электрическая 1,3.2,6

UTRC, концепция 154 0,7 Труба + крыло Параллельная гибридно-электрическая 2,1

В соответствии со «Стратегией развития авиационной промышленности Российской Федерации на период до 2030 года» [13], перед государством стоит задача создания полностью электрического самолёта. Технология электродвижения вошла в «Перечень приоритетных технологических направлений развития оборонно-промышленного комплекса Российской Федерации». Для реализации поставленной задачи необходимо провести целый комплекс мероприятий, направленных на:

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Татуйко Павел Станиславович, 2020 год

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. European Automobile Manufacturers Association. The Automobile Industry Pocket Guide 2019/2020, 2019 - p. 9-24, 37-48.

2. European Automobile Manufacturers Association. Press Release: Fuel types of new cars: petrol +6.1%, diesel -14.1%, electric +51,8% in third quarter of 2019, 07/11/2019.

3. Karl-Heinz Steinmetz. Driving the green revolution in transportation. Texas Instruments, 09/2016 - p. 2.

4. Car of the Future. IHS Markit [Электронный ресурс] - URL: https://ihsmarkit.com/products/car-of-the-future.html (дата обращения 25.01.2020).

5. Ковалев Л.К., Конеев С.М., Полтавец В.Н., Гончаров М.В., Ильясов Р.И. Магнитные подвесы с использованием объемных ВТСП элементов для перспективных систем высокоскоростного наземного транспорта//Электронный журнал «Труды МАИ», Раздел: Системы управления. - 2010. - № 38.

6. Бадёр М.П. Электрооборудование в тяговом электроснабжении на основе высокотемпературной сверхпроводимости и его электромагнитная совместимовть//Известия академии электротехнических наук РФ. - 2019. -№ 21. - с. 50 - 64.

7. Almujibah H, Preston J. The Total Social Costs of Constructing and Operating a Maglev Line Using a Case Study of the Riyadh-Dammam Corridor, Saudi Arabia. Transportation Systems and Technology, 04(3 suppl. 1) / 2018 -p. 298-327.

8. Палкин В.А., Солонин В.И., Скибин В.А. Работы ведущих авиадвигателестроительных компаний в обеспечение создания перспективных авиационных двигателей (аналитический обзор) / Под общей ред. В.А. Скибина и В.И. Солонина. М.: ЦИАМ, 2010. - 678 с.

9. NASA Moves Electric-Propulsion Components Closer To Reality. Aviation Week & Space Technology, 2017.

10. Felder J.L. NASA Electric Propulsion System Studies. NASA. 2017.

11. Jankovsky A. Hybrid Gas-Electric Subproject Overview. Interchange with Meggitt Aircraft Braking systems. August 31, 2016. NASA. 2016.

12. Jansen R.H., Bowman Ch., Jankovsky A. et al. Overview of NASA Electrified Aircraft Propulsion Research for Large Subsonic Transports. Paper for AIAA Technical Conferences. AIAA. 2017.

13. Стратегия развития авиационной промышленности Российской Федерации на период до 2030 года. Правительство Российской Федерации. Москва, 2017 - 47 с.

14. T.S. Dean, G.E. Wroblewski, P.J. Ansell, Mission Analysis and Component-Level Sensitivity Study of hybrid-electric general aviation propulsion systems, 2018 AIAA Aerospace Sciences Meeting, Kissimmee, FL, 2018.

15. Dr. Gerald V. Brown. Efficient Flight-Weight Electric Systems. Technical Conference NASA Fundamental Aeronautics Program, March 13-15, 2012.

16. Nateri Madavan. A NASA PERSPECTIVE ON ELECTRIC PROPULSION TECHNOLOGIES FOR COMMERCIAL AVIATION. 5th UTIAS Workshop on Aviation and Climate Change.. National Aeronautics and Space Administration, May 18-20, 2016 - p. 21.

17. Губанов Ю. Электротехнические системы кораблей и судов: этапы развития, автоматизация. Концепция электрического корабля. Control Engineering Россия - 2014 - №3(51) - с.24-27.

18. Романовский В. В. Перспективы развития систем электродвижения / В. В. Романовский, Б. В. Никифоров, А. М. Макаров // Вестник Государственного университета морского и речного флота имени адмирала С. О. Макарова. — 2018. — Т. 10. — № 3. — с. 586-596.

19. Дядик А. Н. Корабельные энергетические системы / А. Н. Дядик, Б. В. Никифоров. — Новочеркасск: Колорит, 2012. — 680 c.

20. Никифоров Б. В. Корабельный электропривод / Б. В. Никифоров. — Новочеркасск: Лик, 2014. — 270 c.

21. Никифоров Б. В. Вентильно-индукторные двигатели для тяговых электроприводов / Б. В. Никифоров, С. А. Пахомин, Г. К. Птах // Электричество. — 2007. — № 2. — С. 34-38.

22. Rajashekara K., Akin B. Cryogenic power conversion systems: the next step in the evolution of power electronics technology. IEEE Electrification Magazine 1(2), 2013 - p. 64-73.

23. Дубенский Г.А, Модестов К.А., Кован Ю.И., Ковалёв К.Л., Ларионов А.Е. Проблемы криогенного охлаждения полупрводниковых вентилей статических преобразователей// Электричество. - 2012. - №2. - С.2-10.

24. S.L. Yang, M.A. Page, E.J. Smetak, Achievement of NASA New Aviation Horizons N+2 Goals with a Blended-Wing-Body X-Plane Designed for the Regional Jet and Single-Aisle Jet Markets. 2018 AIAA Aerospace Sciences Meeting, 8-12 January 2018, - p. 19.

25. Ковалев Л.К., Ковалев К.Л., Полтавец В.Н., Пенкин В.Т., Дежин Д.С., Васич П.С., Левин А.В. Высокодинамичные электрические машины с постоянными магнитами и массивными ВТСП элементами// Электричество. -2019. - № 6. - С.4-12.

26. Jiang, J.; Zhang, C. Fundamentals and Applications of Lithium-Ion Batteries in Electric Drive Vehicles; John Wiley & Sons Singapore Pte. Ltd.: Singapore, 2015 - p. 299.

27. Hayes, J.G. and Goodarzi, G.A., Electric Powertrain: Energy Systems, Power Electronics and Drives for Hybrid, Electric and Fuel Cell Vehicles (John Wiley & Sons, 2018) - p. 557.

28. P.S. Tatuyko, G.A. Fedyaeva, V.V. Kobishanov, V.P. Fedorov. Energy-efficient Half-bridge Voltage Converter for Vehicle Electrical Systems. 2019

1st International Conference on Control Systems, Mathematical Modelling, Automation and Energy Efficiency (SUMMA), 2019 - p. 461-464.

29. T. A. Burress, S. L. Campbell, C. L. Coomer, C. W. Ayers, A. A. Wereszczak, J. P. Cunningham, L. D. Marlino, L. E. Seiber, and H. T. Lin, Evaluation of the 2010 Toyota Prius Hybrid Electric Drive System, Oak Ridge National Laboratory report, 2011.

30. D. Schneider, "How B. Jayant Baliga transformed power semiconductors," IEEE Spectrum Magazine, April 2014, p. 44-48.

31. A. Bryant, S.Y. Yang, P. Mawby, et al. "Investigation Into IGBT dV/dt During Turn-Off and Its Temperature Dependence," IEEE Trans. Power Electron., vol. 26, №10, Oct. 2011 - p. 3019-3031.

32. Liu, Y.S., Abu-Rub, H., Ge, B.M., Blaabjerg, F., Ellabban, O., Loh, P.C. Impedance Source Power Electronic Converters; Wiley-IEEE Press: Hoboken, NJ, USA, 2016 - p. 419.

33. Shane O'Donnell, P. Wheeler, Alberto Castellazzi. Reliability Analysis of SiC MOSFET Power Module for More Electric Aircraft Motor Drive Applications. IEEE International Conference on Electrical Systems for Aircraft, Railway, Ship Propulsion and Road Vehicles & International Transportation Electrification Conference (ESARS-ITEC), November 2018 - p. 4.

34. Татуйко П.С., Власов А.И. Перспективы применения резонансных LLC-преобразователей при проектировании импульсных источников постоянного напряжения. Сборник докладов X и XI Научно-технических конференций молодых специалистов по радиоэлектронике. ОАО «Авангард» - СПб.: Изд. ООО «ЮПИ», 2018 - с. 12-16.

35. J. G. Hayes, Resonant Power Conversion Topologies for Inductive Charging of Electric Vehicle Batteries, PhD Thesis, University College Cork, 1998.

36. R. Severns, E. Yeow, G. Woody, J. Hall, and J. G. Hayes, "An ultracompact transformer for a 100W to 120 kW inductive coupler for electric vehicle battery charging," IEEE Applied Power Electronics Conference, pp. 32-38, 1996.

37. J. G. Hayes, N. O'Donovan, and M. G. Egan, "Inductance characterization of high-leakage transformers," IEEE Applied Power Electronics Conference, pp. 1150-1156, 2003.

38. M. Bildgen, Resonant Converter Topologies, Application Note AN658/1194, STMicroelectronics, 1999 - p. 5.

39. Bill Andreycak, Zero Voltage Switching Resonant Power Conversion, Application Note U-138,Texas Instruments, 1999 - p. 28.

40. Bob Erickson, Resonant Power Conversion, Colorado Power Electronics Center, University of Colorado, Boulder. 21 Oct 2010 - p. 71.

41. R. W. Erickson, D. Maksimovic, Fundamentals of Power Electronics. Boston, MA: Springer US, 2001 - p. 1326.

42. A. Lidow, J. Strydom, M. de Rooij, and D. Reusch, «GaN Transistors for Efficient Power Conversion» - Second Edition, Efficient Power Conversion Corporation, El Segundo, California, USA, 2015 - p. 268.

43. S. Colino, R. Beach, «Fundamentals of Gallium Nitride Power Transistors», Application Note: AN002. Efficient Power Conversion Corporation, 2019 - p. 4.

44. T. Hirose et al., "Dynamic performances of GaN-HEMT on Si in cascode configuration," in Proc. 29th IEEE Appl. Power Electron. Conf. Expo. (APEC), Mar. 2014, - pp. 174-181.

45. Choi J, Tsukiyama D, Tsuruda Y, «High-frequency, High-power Resonant Inverter with eGaN FET for Wireless Power Transfer», IEEE Trans. Power Electron., vol. 33, №3, Mar. 2018 - pp. 1890-1896.

46. Y-F Wu, M. Jacob-Mitos, M. L. Moore, S. Heikman, "A 97.8% efficient GaN HEMT Boost Converter with 300 W Output Power at 1MHz," IEEE Electron Device Letters, Vol. 29, August 2008 - pp. 824-826.

47. Y. Uemoto et al., "GaN monolithic inverter IC using normally-off gate injection transistors with planar isolation on Si substrate," in Proc. IEEE Int. Electron Devices Meeting (IEDM), Baltimore, MD, USA, 2009, pp. 165-168.

48. S. Ji, D. Reusch and F. C. Lee, "High-Frequency High Power Density 3D Integrated Gallium-Nitride-Based Point of Load Module Design," in IEEE Trans. Power Electronics, vol. 28, no. 9, Sep. 2013, pp. 4216-4226.

49. M. Acanski, J. Popovic-Gerber and J. A. Ferreira, "Comparison of Si and GaN Power Devices Used in PV Module Integrated Converters," in Proc. IEEE Energy Conversion Congress and Expo (ECCE), 2011, pp. 1217-1223.

50. L. Zhou, Y-F. Wu and U. Mishra, "True Bridgeless Totem-pole PFC based on GaN HEMTs," PCIM Europe2013, 14-16 May, 2013, pp.1017-1022.

51. E. Persson and D. Raffo, "Appliance Motor Drive Performance Improvements Using 600 V GaN Cascode FETs,"PCIM Europe2014, 20-22 May, 2014, pp.1-8.

52. J. Dodge, J. Hess. «IGBT Tutorial», Application Note APT0201 Rev. B, Advanced Power Technology, 2002 - p. 15.

53. IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor), Application Note, Toshiba Electronic Devices & Storage Corporation, 2018 - p. 40.

54. Aw G. (перевод) Подавление эффекта Миллера в схемах управления MOSFET/IGBT // Силовая электроника. 2007. №4. - с. 28-29.

55. I. Batarseh. A. Harb. Power Electronics Converters Modeling and Control: with Case Studies. Second Edition. Springer International Publishing AG, 2018 -p. 689.

56. I. Batarseh. «Resonant converter topologies with three and four energy storage elements», Power Electronics, IEEE Transactions, vol.9 1994 - p. 64-73.

57. B. Yang, "Topology Inverstigation for Front End DC/DC Power Conversion for Distributed Power System," Ph.D dissertation, Dept. Elect. Comput. Eng. Virginia Tech, Blacksburg, VA, USA, Sep. 2003.

58. Byeong Cheol Hyeon, Ji Tae Kim, Bo Hyung Cho, «A Half Bridge LC Converter with Reduce Current Ripple of the Output Capacitor», INTELECT 2009 - 31st International Telecommunications Energy Conference, 2009 - p. 5.

59. Power MOSFET Electrical Characteristics, Application Note, Toshiba Electronic Devices & Storage Corporation, 2018 - p. 11.

60. C. Chen, X. Ye, H. Wang, G. Zhai, R. Wan. «In-situ prognostic method of power MOSFET based on miller effect», School of Electrical Engineering and Automation Harbin Institute of Technology Harbin, 2017 - p. 5.

61. R. L. Steigerwald, «A comparison of half-bridge resonant converter topologies», Power Electronics, IEEE Transactions on, vol. 3, 1988 - pp. 174-182.

62. A. M. Trzynadlowski, «Power Electronic Converters and Systems: Frontiers and applications (Energy Engineering)», The Institution of Engineering and Technology, 2019 - pp. 656.

63. Н. А. Поклонский, Н. И. Горбачук. Основы импедансной спектроскопии композитов. Курс лекций. - Минск: Изд. Белорусский государственный университет, 2005 - с.69-71.

64. M. Prabhakar, S. Arulmozhi, Dr. V. Kamaraj, «Selection Criteria and Analysis of LCC Resonant DC - DC Converters for Automotive Applications», Modern Applied Science Journal, Vol 3, № 7, 2009 - pp. 21-31.

65. Alex Dumais. LLC Resonant Reference Design using the dsPIC® DSC. Microchip, 2010 - p. 58.

66. Татуйко П.С., Власов А.И. Моделирование переходных процессов полумостового резонансного LLC преобразователя в Matlab Simulink // САПР и моделирование в современной электронике: сб. науч. тр. I Международной научно-практической конференции / под ред. Л.А. Потапова, А.Ю. Дракина. -Брянск: БГТУ, 2017. - 37-40 с.

67. J.B. Fedison, M. Fornage, M.J. Harrison, and D.R. Zimmanck, "Coss Related Energy Loss in Power MOSFETs Used in Zero-Voltage-Switched Applications," APEC 2014 Proceedings, 2014 - pp. 150-156.

68. О.Б. Чеботаренко. Исследование характеристик сегнето-пьезоматериалов по петлям диэлектрического гистерезиса на частоте 50 Гц.

Учебно-методическое пособие. - Ростов-на-Дону:. Изд. ФГОУ ВПО «Южный Федеральный Университет», 2008 - 26 с.

69. STFW60N65M5, STW60N65M5. N-channel 650 V, 0.049 Q, 46 A MDmesh™ V Power MOSFET in TO-247, TO-3PF - Technical Documentation. STMicroelectronics, Rev 2, 2011 - p. 16.

70. J. Roig, F. Bauwens, «Origin of Anomalous COSS Hysteresis in Resonant Converters With Superjunction FETs», Electron Devices, IEEE Transactions on, vol.62, №9, 2015 - pp.3092-3094.

71. Ranbir Singh B. Jayant Baliga, Cryogenic Operation of Silicon Power Devices, Power Semiconductor Research Center, 1998 - p. 158

72. B. Jayant Baliga, Fundamentals of Power Semiconductor Devices, Springer, 2010.

73. C. A. Lee, R. A. Logan, R. L. Batdorf, J. J. Kleimack, and W. Wiegmann, "Ionization rates of holes and electrons in silicon," Phys. Rev., vol. 134, pp. A761-A773, 1964

74. T. Ogawa, "Avalanche breakdown and multiplication in silicon pin junctions," Japanese J. Applied Physics, vol. 4, pp. 473-484, 1965

75. R. Van Overstraeten and H. De Man, "Measurement of the ionization rates in diffused silicon p-n junctions," Solid-St. Electron., vol. 13, no. 5, pp. 583608, May 1970

76. B.J. Baliga. "Modern Power Devices". Wiley. New York. 1987.

77. Selberherr, S. (1989). MOS device modeling at 77K. IEEE Transactions on Electron Devices, 36(8): 1464-74.

78. Fulop, W. (1967). Calculation of avalanche breakdown voltages of silicon p-n junctions. Solid State Electronics, 10:39-43.

79. C.R Crowell & S.M Sze "Temperature dependence of Avalanche multiplication in semiconductors". Applied Physics Letter Vol 9, №6, pp 242-244. 1966.

80. Streetman, B. G. (1980). Solid State Electronic Devices. Prentice Hall, New Jersey.

81. Gaensslen, F. H. (1977). Very small MOSFETS for low temperature operation. IEEE Transactions on Electron Devices, 24:218-29.

82. N.D Arora and G. Sh. Gildenblat. "A semi-empirical model of the MOSFET Inversion layer mobility for low temperature operation". IEEE Transactions on Electron Devices, Vol ED34, №1, 1987 - p. 89-93.

83. D.S Jeon & D.E Burk. «MOSFET Electron Inversion layer mobilities -F physical based semi-empirical model for a wide temperature range». IEEE Transactions on Electron Devices, Vol 36, №8 1989 - p. 1456-1463.

84. Sun, S. C. and Plummer, J. D. (1980). Modeling of the on-resistance of LOMOS, VOMOS and VMOS power transistors. IEEE 7rans. Electron. Devices, 27:356- 367.

85. A. Hairapetian, D. Giltin and C.R Vishwanathan. "Low Temperature mobility measurements in CMOS devices". IEEE Transactions on Electron Devices Vol 36, №8, 1989 - p. 1448-1455.

86. R.A Wilcox, J. Chang and C. R. Vishwanathan. "Low Temperature characterization of buried channel NOST'. IEEE Transactions on Electron Devices Vol 36, №8, 1989 - p. 1440-1447.

87. 15. C. Jacoboni, C. Canali, G. Ottaviani, A.A.Quaranta. "A review of some charge transport properties in Silicon". Solid State Electronics Vol20, 1977 -p. 77-89.

88. 16. N.D Arora, J. R. Hauser and D. J. Roulton. "Electron and hole mobilities in silicon as a function of concentration and temperature". IEEE Transaction on Electron Devices Vol ED 29, №2, 1982 - p. 292-95.

89.А.И. Ведерников, А.В. Чаплик. ФТП 38, 11, 1358 (2004).

ПРИЛОЖЕНИЕ А. Расчёт полумостового резонансного преобразователя с последовательно-параллельным LLC-резонансным

Начальные условия: Входное напряжение Выходное напряжение Выходной ток Резонансная частота

1лп := 40С

ГС := 6500С

22

Р» := —

«О := 2-{м-ГС = 4.086 х Ю3

Соотношение индуктивностей

Ожидаемый КПД Расчёт:

Выходная мощность Выходное сопротивление Входная мощность Входной ток

Коэффициент трансформации

Эквивалентное сопротивление нагрузки

Предположив, что соотношение частот коммутации

Добротность контура

Ёмкость резонансного конденсатора

Резонансная индуктивность

Индуктивность намагничивания трансформатора

Импеданс резонансного контура

АЬ := -

Рош := Ъ'оШ 1оШ = 480

Ъ'оШ

Яош := - = 1.2

1ош

Рош

Рш := - = 494.84..

кр<1

Рш

1ш :=-= 1.2.37

Цт

8 ЯоШ п

Лас :=-:-= 60.544

Р»

Ьт := — = 8.384 х 10 4 А1_

Рас

г0 := - = 48.934

<31-

Пиковый ток через резонансной цепи

1тт :=

01.(1 + А1.)

р-го-оь

Вторая резонансная частота

= 4.204

& := ГС-

|_1 - <}1- (1 + А1.)' .01 (1 + АЬ): - 1 + АЬ(1 + АЬ)_ (1 + АЬ)

} 2А1

- 8.367 х 10ч

«т := 2-ргйг = 3.26 х 10'

Добротность эквивалентного

^■0

Япг := <31.-(1 + --= 1.098

последовательного резонансного контура 'ЛТ

Эквивалентное последовательное

сопротивление резонансной цепи Добротность резонансного контура

на резонансной частоте wr

Сопротивление открытого канала транзистора

Заряд затвора транзистора

Статические потери на транзисторе Максимальная частота

Добротность ненагруженного контура

Эквивалентное последовательное сопротивление конденсатора

Активное сопротивление в резонансном дросселе

Лас

Яб :=-г = .-; •-.

2

1 + дгг

Ьг + Ьш

Огг := \\т--= 8.324

Яас

гё5 := 0.2-

- 9

О? := 65-10'

_ . Ьпш гсЬ Prds := - = 1.105

:= \\0 =» 5.777 х Ю3 <31.0 := 30С

гЬг := - = 0.231

<5Ю

Активное сопротивление в первичной обмотке трансформатора

\vLrn

гЬш := - = 1.614

<5Ю

Ток через контур эквивалентной цепи

Активные потери в резонансном дросселе Активные потери в первичной обмотке

трансформатора

Активные потери в резонансном

Конденсаторе

Суммарные потери проводимости

Ьшп гЬ" Л Л.Л РгЬг :=- = 2.038

1тт г1_т РгЬп := - = 14.269

__ 1тт гСг

РгСг := - = 0.442

Рг := РМб + РЛг + РЛт + РгСг = 17.854

Потери на управление затвором

Суммарные потери в преобразователе Расчётный коэффициент

полезного действия

?г, :=--<3§15 = 0.063

2Р!

РЬ := 2+ Рг = 17.981

Рош

кр<1г := - = 0.964

Рош + РЬ

ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Акт о внедрении результатов

ПРИЛОЖЕНИЕ В. Акт внедрения в учебный процесс

Заведующий кафедрой «Промышленная электроника и электротехника»

А.А. Пугачёв