طراحی و پیاده سازی یک ماژول قابل استفاده در حالت جامد یکپارچه با سیستم خنک کاری پیشرفته و الگوریتم تشخیص خطای فوق سریع برای کاربردهای هوافضایی

یادداشت علمی: طراحی و پیاده سازی یک ماژول قابل استفاده در حالت جامد یکپارچه با سیستم خنک کاری پیشرفته و الگوریتم تشخیص خطای فوق سریع برای کاربردهای هوافضایی

چکیده

سیستم های تولید توان الکتریکی در صنعت هوافضا با چالش های متعددی از جمله وزن سنگین، این مقاله به ارائه یک راه حل نوآورانه در قالب یک ماژول تولید توان حالت جامد یکپارچه می پردازد که سه عملکرد کلیدی شامل و وصل توان، محافظت در برابر خطاها و دفع حرارت را در یک بسته بندی فشرده ادغام می کند. نوآوری اصلی این تحقیق در ادغام غیربدیهی ترانزیستورهای توان Wide-Bandgap (SiC/GaN)، یک الگوریتم تشخیص خطا و نتایج حاصل از این ماژول قادر به تشخیص خطاهای مختلف از جمله قوس الکتریکی در عرض میکروثانیه بوده و با بهره گیری از این مقاله، مراحل طراحی، شبیه سازی تجزیه و تحلیل، تجزیه و تحلیل و آزمایش این ماژول بوده است. می توان توان تولید سیستم را تا 40 درصد کاهش داد و اطمینان سیستم را به طور قابل توجهی بهبود بخشید.

کلمات کلیدی: سیستم توان هوافضایی، ماژول حالت جامد یکپارچه، خنک کاری میکروکانالی، تشخیص Real-Time

۱. مقدمه

صنعت هوافضا در حال حاضر به سمت سیستم های تمام برقی (More Electric Aircraft - MEA) است که در آن سیستم های هیدرولیک و پنوماتیک سنتی با سیستم های الکتریکی جایگزین می شوند. تولید توان الکتریکی با کارایی بالا، قابلیت اطمینان فوق العاده و وزن بهینه شده است. سیستم های تولید توان سنتی بر رله ها و فیوزهای مکانیکی از وزن بالا، سرعت عملکرد پایین و قابلیت اطمینان محدود می برند. علایط های بسته هوافضایی یک چالش جدی می شود.

۲. مروری بر تحقیقات پیشین

تحقیقات پیشین در زمینه سیستم های تولید توان هوافضایی برای مثال، مطالعات متعددی در کاربرد ترانزیستورهای Wide-Bandgap در مبدل های قدرت پرداخته اند [۱،۲] انجام می شود. همچنین، پژوهش های دیگری به توسعه الگوریتم های تشخیص خطا [۳] و سیستم های خنک کاری پیشرفته [۴] توجه کرده اند. تمام چالش های این موضوع را مورد بررسی قرار داده است.

۳. طراحی و روش شناسی

۳.۱. معماری کلی سیستم

ماژول پیشنهادی از سه بخش اصلی تشکیل شده است:

۱. . بخش قدرت شامل سوئیچ های حالت جامد SiC/GaN
۲. بخش کنترل و پردازش شامل میکروکنترلر و مدارهای درایور
۳. بخش خنک کاری شامل صفحه میکروکانالی یکپارچه

۳.۲. انتخاب اجزا و طراحی مدار

مدار SiC/GaN DESAT باشد. از یک میکروکنترلر ARM Cortex-M7 با قابلیت پردازش DSP برای اجرای الگوریتم های تشخیص خطا استفاده شده است.

۳.۳. طراحی سیستم خنک کاری

صفحه خنک کاری میکروکانالی از جنس مس با کانال هایی به عرض ۲۰۰میکرون طراحی شده است. خنک کننده مورد استفاده Novec ۷۲۰۰ بوده که دارای ویژگی دیالکتریک عالی است.

۳.۴. الگوریتم تشخیص خطا

الگوری پیشنهادی برای ترکیب مدیریتم در حوزه زمان و فرکانس است. تبدیل فوریه سریع (FFT) برای آنالیز فرکانسی سیگنال جریان و از شبکه عصبی کانولوشنی سبک(Lightweight CNN) برای طبقه بندی الگوهای خطا استفاده شده است.

۴. نتایج و بحث

4.1. نتایج شبیه سازی

انجام شده در نرم افزارهای LTspice و ANSYS Icepak نشان داد که ماژول پیشنهادی می تواند با راندمان ۹۸.۵ درصد در توان ۵ کیلووات کار کند. همچنین، خنک کاری قادر به حفظ سیستم دمای تحت اتصال زیر ۱۲۰ درجه سانتی گراد در بدترین شرایط است.

4.2. نتایج آزمایشهای عملی

نمونه ساخته شده بر اساس نتایج نشان داد که الگوریتم تشخیص خطا قادر به تشخیص قدرت الکتریکی در عرض ۲ میکروثانیه با دقت ۹۹.۲٪ است. همچنین، وزن ماژول 6 درصد کمتر از سیستم های معمولی با قابلیت مشابه است.

۵. نتیجه گیری

ماژول پیشنهادی یک راه حل جامع برای چالش های سیستم های تولید توان هوافضایی می دهد. ادغام هوشمند فناوری های پیشرفته در یک بسته بندی فشرده به دستیابی به عملکرد برتر در مقایسه با راه حل های موجود است. بیشتر الگوریتم تشخیص خطا و توسعه این فناوری به کاربردهای

مراجع
[۱] Smith, J. et al. "Application of SiC MOSFETs in Aerospace Power Systems," IEEE Transactions on Power Electronics, 2020.
[۲] Zhang, L. et al. "Thermal Management of Power Electronics in Aerospace Applications," Journal of Thermal Science, 2021.