Optimization of rectifiers for aviation regarding power density and reliability:
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| Format: | Abschlussarbeit Buch |
| Sprache: | English |
| Veröffentlicht: |
Chemnitz
Univ-Verl.
2015
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CONTENTS
1 INTRODUCTION 23
2 AEROSPACE SPECIFIC REQUIREMENTS 27
2.1 TECHNICAL DATA OF POWER SUPPLY 27
2.2 CURRENT HARMONICS AND EMC 28
2.3 DC-LINK VOLTAGE RIPPLE 30
2.4 LOAD CHARACTERISTIC 31
2.5 MISSION PROFILE 32
2.6 MINIMUM AND MAXIMUM TEMPERATURES 33
2.7 RESTRICTIONS ON ELECTRICAL COMPONENTS 33
3 RECTIFIER TOPOLOGIES IN AVIATION 35
3.1 OVERVIEW 35
3.2 12-PULSE RECTIFIER WITH AUTOTRANSFORMER 38
3.2.1 INTRODUCTION 38
3.2.2 DESIGN OF TRANSFORMER 38
3.2.3 DESIGN OF INTERPHASE TRANSFORMERS 39
3.2.4 PROTOTYPE AND MEASUREMENTS 41
3.2.5 DESIGN OF EMC FILTER 42
3.2.6 EVALUATION OF 12-PULSE RECTIFIER 47
3.3 ACTIVE POWER FACTOR CORRECTION 48
3.3.1 INTRODUCTION 48
3.3.2 POWER LOSS IN SEMICONDUCTOR DEVICES 49
3.3.3 DIFFERENTIAL MODE FILTER DESIGN 52
3.3.4 COMMON MODE FILTER DESIGN 54
3.3.5 EVALUATION OF THE APFC 56
4 RELIABILITY OF POWER SEMICONDUCTORS IN AEROSPACE APPLICA
TIONS 57
4.1 STATISTICAL FAILURES RATES 57
4.2 LIFETIME ESTIMATION 58
4.3 COSMIC RADIATION 64
5 DESIGN OF PARALLEL ACTIVE POWER FILTER 71
5.1 STATE-OF-THE-ART ACTIVE POWER FILTERS 71
VII
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CONTENTS
5.2 REQUIREMENTS AND SYSTEM ANALYSIS 72
5.3 DESIGN OF DC-LINK CHOKES 76
5.4 DESIGN OF INVERTER STAGE 80
5.4.1 ELECTRICAL CHARACTERIZATION OF SEMICONDUCTOR SWITCHES 80
5.4.2 THERMAL CHARACTERIZATION 88
5.4.3 LOSSES AND TEMPERATURES 90
5.5 EMC AND FILTER DESIGN 93
5.5.1 DIFFERENTIAL MODE FILTER 93
5.5.2 COMMON MODE FILTER 97
6 ANALYSIS AND DESIGN OF CONTROL ALGORITHM 105
6.1 MAIN STRUCTURE 105
6.2 ANALYSIS OF CURRENT CONTROL LOOP 106
6.3 REFERENCE CURRENT GENERATION WITH INSTANTANEOUS POWER THEORY 110
6.4 VOLTAGE CONTROL OF APF DC-LINK 114
6.5 DESIGN OF SELECTIVE SIGNAL ANALYSIS 118
6.6 LINE SYNCHRONIZATION WITH PHASE LOCKED LOOP 124
6.7 MODELLING AND SIMULATION 127
7 PROTOTYPE AND MEASUREMENTS 131
7.1 LABORATORY PROTOTYPE 131
7.2 SOFTWARE IMPLEMENTATION IN DUAL-DSP BOARD 133
7.3 COMPENSATION PERFORMANCE UNDER STEADY STATE AND TRAN
SIENT CONDITIONS 136
7.4 ROBUSTNESS UNDER FAILURE CONDITIONS 139
7.5 VALIDATION OF POWER LOSSES AND TEMPERATURES 141
7.6 EMC MEASUREMENTS 146
7.7 EVALUATION OF ACTIVE POWER FILTER 147
8 SUMMARY 149
A APPENDIX 153
A.L DERIVATION OF EQUATIONS 153
A.2 TABLES AND SCHEMATICS 161
A.3 DATASHEETS 166
BIBLIOGRAPHY 169
VIII
INHALTSVERZEICHNIS
1 EINLEITUNG 23
2 LUFTFAHRTSPEZIFISCHE ANFORDERUNGEN 27
2.1 TECHNISCHE DATEN DES ELEKTRISCHEN VERSORGUNGSSYSTEMS . 27
2.2 STROMHARMONISCHE UND EMV 28
2.3 DC-LINK SPANNUNGSRIPPLE 30
2.4 LASTCHARAKTERISTIK 31
2.5 MISSIONSPROFIL 32
2.6 MINIMALE UND MAXIMALE TEMPERATUREN 33
2.7 EINSCHRANKUNGEN BEI BAUELEMENTEN 33
3 GLEICHRICHTERTOPOLOGIEN IN DER LUFTFAHRT 35
3.1 UBERSICHT 35
3.2 12-PULS GLEICHRICHTER MIT SPARTRANSFORMATOR 38
3.2.1 EINLEITUNG 38
3.2.2 AUSLEGUNG DES TRANSFORMATORS 38
3.2.3 AUSLEGUNG DER SAUGDROSSELN 39
3.2.4 PROTOTYP UND MESSUNGEN 41
3.2.5 AUSLEGUNG DES EMV-FILTERS 42
3.2.6 BEWERTUNG DES 12-PULS GLEICHRICHTERS 47
3.3 AKTIVE LEISTUNGSFAKTORKORREKTUR 48
3.3.1 EINLEITUNG 48
3.3.2 VERLUSTE DER LEISTUNGSHALBLEITER 49
3.3.3 AUSLEGUNG DES GEGENTAKTFILTERS 52
3.3.4 AUSLEGUNG DES GLEICHTAKTFILTERS 54
3.3.5 BEWERTUNG DER APFC 56
4 ZUVERLASSIGKEIT VON LEISTUNGSHALBLEITERN IN DER LUFTFAHRT 57
4.1 STATISTISCHE FEHLERRATEN 57
4.2 ABSCHATZUNG DER LEBENSDAUER 58
4.3 HOHENSTRAHLUNG 64
IX
INHALTSVERZEICHNIS
5 DESIGN DES AKTIVEN PARALLELEN NETZFILTERS 71
5.1 STAND DER TECHNIK VON AKTIVEN NETZFILTERN 71
5.2 ANFORDERUNGEN UND SYSTEMANALYSE 72
5.3 AUSLEGUNG DER ZWISCHENKREISDROSSELN 76
5.4 AUSLEGUNG DER LEISTUNGSENDSTUFE 80
5.4.1 ELEKTRISCHE CHARAKTERISIERUNG DER LEISTUNGSHALBLEITER 80
5.4.2 THERMISCHE CHARAKTERISIERUNG 88
5.4.3 VERLUSTE UND TEMPERATUREN 90
5.5 EMV UND FILTERDESIGN 93
5.5.1 GEGENTAKTFILTER 93
5.5.2 GLEICHTAKTFILTER 97
6 ANALYSE UND ENTWICKLUNG DES REGELUNGSALGORITHMUSSES 105
6.1 HAUPTSTRUKTUR 105
6.2 ANALYSE DES STROMREGELKREISES 106
6.3 REFERENZSTROMGENERIERUNG MIT INSTANTANEOUS POWER THEORY 110
6.4 SPANNUNGSREGELUNG DES APF ZWISCHENKREISES 114
6.5 AUSLEGUNG DER SELEKTIVEN SIGNALANALYSE 118
6.6 NETZSYNCHRONISATION MITTELS PLL 124
6.7 MODELLIERUNG UND SIMULATION 127
7 PROTOTYP UND MESSUNGEN 131
7.1 LABORAUFBAU 131
7.2 SOFTWARE IMPLEMENTIERUNG IN DUAL-DSP BOARD 133
7.3 KOMPENSATIONSLEISTUNG IM STATISCHEN UND TRANSIENTEN BETRIEBL36
7.4 ROBUSTHEIT BEI FEHLERSZENARIOS 139
7.5 VALIDIERUNG DER VERLUSTE UND TEMPERATUREN 141
7.6 EMV MESSUNGEN 146
7.7 BEWERTUNG DES AKTIVEN NETZFILTERS 147
8 ZUSAMMENFASSUNG 149
A ANHANG 153
A.L HERLEITUNG VON GLEICHUNGEN 153
A.2 TABELLEN 161
A.3 DATENBLATTER 166
LITERATURVERZEICHNIS 169
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