Optimierung des DC/DC-Wandler-Designs

Maximaler Wirkungsgrad für elektrisches Fliegen

15. November 2022, 10:02 Uhr | Von Henri Huillet, CEO von Gaia Converter
Gaia Converter
Bild 1: LLC-Topologie
© Gaia Converter

DC/DC-Wandler sind entscheidend für den Übergang zum »More Electric Aircraft«, bei dem hydraulische und pneumatische Systeme durch elektrische Ansätze ersetzt werden.

MEA (More Electric Aircraft) hat das Ziel, die Größe und das Gewicht von Komponenten zu reduzieren und so den Weg für einen vollständig elektrischen Antrieb zu ebnen. In Anlagen zur elektrischen Energieumwandlung werden diese Ziele durch eine bessere Betriebseffizienz bei den immer höheren geforderten Leistungsstufen ermöglicht. Weniger Verluste bedeuten auch einen geringeren Temperaturanstieg in der Leistungselektronik, vorteilhaft für Lebensdauer und Zuverlässigkeit. Darüber hinaus wird weniger Energie aus den primären Energiequellen des Flugzeugs verschwendet, was sich letztlich in einer höheren Kilometerleistung und geringeren Emissionen niederschlägt.

Das Akronym »SWaP« steht für die Schlüsselfaktoren Größe, Gewicht und Leistung (Size, Weight, and Power), die optimiert werden müssen. In diesem Artikel wird ein aktuelles Forschungsprojekt untersucht, das zeigt, wie ein optimales Design für die Leistungswandlung erreicht werden kann. Das Design wurde von GAIA Converter in Zusammenarbeit mit Forschern des Centro de Electrónica Industrial der Universidad Politécnica de Madrid (Spanien) entwickelt.

Spezifikationen zur Leistungswandlung
in MEA-Anwendungen

Die Bordnetze in Flugzeugen haben traditionell 115 V bei 400 Hz, die ein dreiphasiger Generator (angetrieben durch ein Triebwerk oder eine APU, Auxiliary Power Unit) bereitstellt und aus der ein AC/DC-Wandler eine Gleichspannung von 28 V erzeugt, wobei Batterien die DC-Schiene stützen. Bei MEA-Anwendungen sind aufgrund der höheren elektrischen Lasten höhere Spannungen erforderlich, um die Ströme niedriger und die Verkabelung leichter zu halten, sodass 270 V DC nominal ein akzeptierter Standard sind.

Die Gleichspannung soll im Bereich 235 V bis 285 V bleiben, aber die angeschlossenen Geräte müssen möglicherweise unter anormalen Bedingungen von 220 V bis 320 V betrieben werden. Daher besteht eine häufige Anforderung darin, die nominale 270-V-Busspannung mit Isolierung auf 28 V herunterzuwandeln und dann mit nachgeschalteten Point-of-Load-Wandlern auf Endspannungen wie 5, 3,3 oder sogar weniger als 1 V zu senken.

Optimales Design
der Leistungsumwandlung

Hauptziel des gemeinsamen Projekts von GAIA Converter und der Universidad Politécnica de Madrid war die Entwicklung eines SWaP-optimierten Konverters mit den folgenden Spezifikationen:

  • Eingang: 235–285 V DC normal, 220–320 V DC abnormal
  • Ausgang: 28 V DC
  • Last: 250 W Minimum, 1,0 kW nominal, 1,5 kW Maximum
  • Wirkungsgrad: mindestens 96 Prozent über den normalen Eingangsbereich bei 1 kW Last
  • Verlustleistung: 49,5 W Maximum
  • Temperatur: Betrieb fest auf einer Grundplatte bei 90 °C
  • Größe: 58 mm × 61 mm × 13 mm Maximum

Darüber hinaus musste die Abweichung der Schaltfrequenz vom Nennwert auf maximal ±15 Prozent begrenzt werden, und es galten auch die EMI- und Schock-/Vibrationsstandards der Luftfahrt. Als Umwandlungstopologie wurde ein weich schaltendes Design gewählt, um einen hohen Wirkungsgrad und eine geringe EMI zu gewährleisten. Dieser Ansatz ermöglicht auch einen Hochfrequenzbetrieb und damit kleinere induktive Bauelemente und eine höhere Leistungsdichte.

Anbieter zum Thema

zu Matchmaker+
Gaia Converter
Bild 2: Die Verstärkung des durch die LLC-Komponenten gebildeten Resonanztanks
© Gaia Converter

Es gibt zwei Hauptkategorien weich schaltender Wandler: mit fester Frequenz, nichtresonant, oder mit variabler Frequenz, vollresonant. Zur ersten Kategorie gehören zum Beispiel die Phasenverschiebungs-Vollbrücke (PSFB), die aktive Doppelbrücke (DAB) und die asymme­trische Halbbrücke (AHB). Obwohl bei dieser Kategorie die Strombelastungen tendenziell geringer sind als bei den vollresonanten Typen, sind sie für große Lastbereiche nicht optimal, da sie bei geringen Lasten bei Lasttransienten kein weiches Schalten garantieren können. Sie benötigen alle eine zusätzliche Induktivität, die je nach gewünschter Regelbarkeit einen hohen Wert haben kann und nicht leicht zu integrieren ist.

Resonanzwandler haben zwar auch ihre Nachteile, dennoch wurde der LLC-Typ gewählt, denn er kann auch bei Leerlauf weiche Schaltübergänge beibehalten und ist folglich in der Lage, bis hinunter zu leichten Lasten mit hohem Wirkungsgrad über den gesamten Betriebsbereich zu regeln. Die Induktivität der Transformatorwicklung Lm ist das eine L von »LLC«, die Streuinduktivität Lr ist das andere L (Bild 1). Dafür wird häufig ein externes diskretes Bauteil verwendet, da sein Wert gering ist und damit Kompromisse bei der Konstruktion des Transformators vermieden werden können, die den Wirkungsgrad verringern würden. Die Gate-Signale der Leistungsschalter sind einfache PWM-Impulse mit 50 Prozent Tastverhältnis und variabler Frequenzsteuerung. Um einen optimalen Wirkungsgrad zu erzielen, wird die sekundärseitige Gleichrichtung häufig durch synchrone Schalter, typischerweise MOSFETs, realisiert.


  1. Maximaler Wirkungsgrad für elektrisches Fliegen
  2. Betrieb und detaillierte Design-Entscheidungen

Verwandte Artikel

GAIA converter S.A.