Interleaved isolated buck-boost DC/DC converter for next-generation rotorcraft electrical systems

This research is conducted within the broader framework of the progressive electrification of aviation, which will require increasingly lightweight electrical infrastructure. In particular, the present work focuses on next-generation helicopters. The adoption of bidirectional converters operating at high voltage levels (270Vdc and higher) is required for the design of new on-board electrical systems that can manage hybrid powertrains, energy storage systems and their associated redundancies, while observing the weight limitations imposed by the application. This thesis project aims to explore bi-directional DC/DC converters, which can support the evolution of helicopter on-board electrical systems. Two scenarios are defined: a midterm one in which propulsion still relies entirely on thermal engines, and a long-term one in which hybrid electric propulsion and consequently a higher distribution voltage level (800 V) are adopted. Following a comprehensive evaluation of candidate converter topologies, the isolated buck–boost DC/DC converter is selected for further investigation due to its interleaving capability. Through simulations in MATLAB/Simulink, the converter’s behaviour is evaluated in the relevant scenarios for the application, demonstrating high efficiency and a significant reduction in voltage ripple. Furthermore, the converter enhances system fault tolerance, as verified by ad hoc simulation scenarios, and is scalable to higher voltage levels (800 V).

La ricerca è condotta entro il quadro più ampio della crescente elettrificazione in ambito aeronautico, che richiederà infrastrutture elettriche sempre più leggere. Il presente lavoro si concentra in particolare sugli elicotteri di nuova generazione. I convertitori DC/DC bidirezionali, contribuiranno allo sviluppo di impianti elettrici di futura generazione, chiamati a gestire propulsione ibrida e sistemi di accumulo, nel rispetto dei requisiti di ridondanza e peso. Sono stati definiti due scenari: uno di medio termine, nel quale la propulsione è ancora completamente affidata ai motori termici, e uno di lungo termine, in cui sono adottati propulsione ibrida e di conseguenza livello di tensione superiore (800 V). A seguito di un’esaustiva revisione delle possibili topologie, il convertitore DC/DC buckboost isolato è stato selezionato, come oggetto della successiva analisi, per la sua intrinseca proprietà di interleaving. Per mezzo di simulazioni in MATLAB/Simulink, il dispositivo è stato valutato nei principali scenari previsti dall’applicazione, riportando alto rendimento ed elevata riduzione del ripple di tensione. Inoltre il convertitore offre tolleranza ai guasti e scalabilità rispetto all’innalzamento del livello di tensione.