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

Resumen

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-ActiveBridge). 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-ActiveClamp), 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.