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多电飞机的电机驱动和电源变换器

日期:2023-06-27 人气:195

传统飞机的舵面、翼面等姿态操控,都是由液压和气压驱动的机械装置完成的;此外,在发动机转向喷口及发动机反推动作控制,以及舱门、起落架、刹车及地面转向驾驶等处,也还大量地使用了液压或气压部件。液压和气压装置的弱点在于其密封,由于采用流体或气体传递压力,因而传递效率较低,故障率高,且不适合远距离传动;仅以液压为例,液压系统对油温变化较为敏感,运动部件的速度不易保持稳定;液压系统的体积和重量庞大,受环境影响很大并且维护成本很高。目前,新型设计已趋向于部分或全部地实现电气化,用电机驱动替代机械式的液压和气压执行机构,此即多电飞机的概念。

电机驱动全固态化,响应快,并且可靠性高、可维护性强,方便冗余备份设计;电机驱动还可以大大减小部件的体积和重量,这对飞机本身尤为重要。另外,电气化也使分布式执行控制更容易实现。

然而,多电飞机上的电机和电控一般不充许再配备液冷,只能依靠强制风冷和背板散热器冷却;旧式的飞机可以利用液压油路系统兼职冷却,而现在改为电驱动执行部件,消除了液压体系,如果再专门配置液冷系统来保证散热,那就是走回头路、做无用功了。因此,实现多电或全电飞机的电控设计,第一个面对的技术挑战就是功率和驱动电路的耐高温设计;耐高温SOI驱动器件和电路匹配以碳化硅功率模块,为解决这一航空领域的技术难题铺平了道路。

除电机驱动外,多电飞机对电力电子变换器也提出了新的要求。多电飞机的主要电源采用变频交流电源或高压直流电源,容量可高达几十乃至几百KW级,用电设备大幅度增加,因此需要各种不同类型的电力电子变换器进行电能变换,包括AC/DC、DC/DC、DC/AC、AC/AC和固态开关等。基于Si的传统电力电子器件已不再能满足多电飞机对高温、高效率、高功率密度及高可靠性的要求。因此,耐高温SOI及碳化硅器件融合的智能功率模块,就成为了多电飞机电源变换器的首选。

- 电动飞机

电动飞机(Electric aircraft)是依靠电动机飞行的飞机,其使用的电力来自蓄电池、燃料电池、太阳能电池、超级电容器、无线能量传输,或其它种类等;鉴于电动飞机减重需求压力很大,一般无法接纳体积和重量庞大的液体冷却系统和液压或气压传动系统,一般也只有风冷散热条件,此时,电机驱动总成的热管理就面临着很大的挑战。在此,耐高温SOI及碳化硅器件融合的智能功率模块,又成为不二的解决方案。


类似于电动汽车,受到电池容量的限制,电动飞机也有里程焦虑,因而追求最高的能源效率,以实现最大的续航里程,因此也趋向于从体硅IGBT器件,转向基于SiC/GaN功率器件来构建电源和电控系统。如此,不仅能获得更高的能源转换效率,还能耐受更高的温升。

  

结语

   高温SOI技术通过器件结构的改进,突破了体硅器件的温度困境;采用改良的金属化系统和高温加固工艺,大大提高了器件的高温可靠性。随着第三代半导体功率器件的日趋成熟和普及,其固有的高温性能与高温SOI集成电路形成了非常理想的搭配。由此,为飞机系统设计工程师打开了一扇新的窗口,为全面实现分布式设计和电气化设计,奠定了基础。

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