[發明專利]具有升壓能力的復合類AC到DC電力變換器

無效

• 申請號: 201210586120.5
• 申請日: 2012-11-16
• 公開（公告）號: CN103124142A
• 公開（公告）日: 2013-05-29
• 發明（設計）人: E·加內夫;W·沃爾;K·陳
• 申請（專利權）人: 霍尼韋爾國際公司
• 主分類號: H02M7/04
• 分類號: H02M7/04;H02M1/12
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 馬紅梅;李浩

背景技術

本發明涉及采用不對稱的自耦變壓器技術的交流(AC)到直流(DC)電力變換的裝置和方法，以及，更具體地，涉及具有升壓能力的AC到DC電力變換的裝置和方法。

AC到DC變換器在現代航空航天工業/軍事工業上發揮著重要作用。在針對飛機和航空器的更加電子化的架構(MEA)領域中更是這樣。

商業飛機業務正在向具有非引氣環境控制系統(ECS)、可變頻率(VF)配電系統和電氣驅動(actuation)的MEA前行。典型示例是波音787平臺。空中巴士A350飛機包含了大量的MEA元件。在將來，下一代波音飛機(用于替代737)和空中巴士飛機(用于替代A320)，將更可能使用MEA。一些軍用飛機已經在其他功能之間利用MEA用于初級和次級飛行控制。

軍用地面車輛已經移向混合電力技術，其中主推進是由電力驅動器執行的。因此，在該領域已經出現了對于增強的動力電子設備大量的需求。未來太空飛行器將需要電子發電系統用于推力矢量和飛行控制驅動。這些系統必須更加耐用并且相比較于現有的航天飛機電力系統來說提供大大降低的操作成本以及安全性。

這些新的航空航天和軍事趨勢使電氣發電的需要大大增加。這總體結果對于使電氣設備適應新的平臺來說大大增加了其挑戰性。已經產生一組新的電能質量和電磁交互(EMI)需求來滿足系統質量和性能。最新的趨勢，作為MEA的一部分，是高能效的飛機，其中電力和熱量管理是互相關的。因此，總體系統性能提高以及特定的功率密度增加對于新一代硬件來說是必須的。這必然導致增加操作電壓，以及努力減少系統損耗、重量和容量。特別是應用于AC到DC變換，其對于重量、容量和電力變換電子設備的成本來說是本質上的貢獻。

對于EMA飛機來說，電能質量是主要的考慮因素，因為大量的電力系統和設備被安裝在相同的總線上。這些系統和設備的電能質量具有更加嚴格的要求以確保所有的電力供應/利用設備功能恰當的組合。對于電力供應設備，實現附加的監視特征來檢測并使設備或設備組隔離，其可以經歷電能質量問題。隔離能力用于保護其他操作電源和用電設備。

對于用電設備，施加嚴格的電能質量要求。這樣的要求的某些原因列舉如下：

對電能質量問題作出貢獻的設備引起其他設備故障。

由于電源的減少的電能質量而阻止設備達到其設計性能或可靠性。

或許為了滿足期望的最小重量，被設計成具有減少的或沒有功率裕度(power?margin)的設備趨向于更容易受電能質量問題影響。而且，被設計成使重量最小化的設備趨向于產生電能質量問題。

由于自身產生的電能質量問題可能引起裝置故障。

AC電氣設備的電能質量需求由大量的參數組成，這些參數中的某些被列舉如下：

電流畸變

涌流

電壓畸變

電壓調制

功率因數

相平衡

DC含量(content)

由AC諧波組成的電流畸變是用于設備的關鍵的設計驅動因素。電流諧波、分諧波以及間諧波的需求根據輸入電壓的多個基波頻率指定所允許的畸變。AC到DC變換器的典型的電流諧波譜包括多達39的所有奇次諧波，具有從最大電流基波10％到0.25％的限制范圍。電流畸變需求是關鍵的設計驅動因素因為其通常大大影響設備的重量。還根據設備額定功率指定電流畸變因為電力設備越高其在電源總線上的影響越大。

對于AC到DC變換器，DC輸出的需求也是重要的。該需求包括紋波電壓和電壓降(voltage?droop)。紋波電壓和電壓降確定輸出設備諸如逆變器的DC操作范圍。

當變換三相AC到DC時，最典型的方法是采用單個三相全波整流器，其中六個整流元件被連接在橋接配置中。在這樣的三相全波整流器中，DC電壓通過轉接整流元件而被輸出使得它們以60度的間隔連續傳導(conduct)。然而，使用該方法，整流后的DC電壓包含具有一段六倍于電源頻率的大振幅的電壓紋波，產生諧波。

在歷史上，無源AC到DC變換器已經主宰了航空航天電力電子工業，因為以下若干原因：簡單，缺乏嚴格的電能質量需求，缺乏嚴格的EMI合規性(compliance)需求，以及不需要到配電總線的電力再生。無源的AC到DC變換器通常包括二極管和濾波電容器。它們表現為低損耗、高可靠性以及相對低的重量和容量。三相配電總線的主要代表是三相二極管橋，在其最小配置中包括六個二極管和一個平滑電容器。那些變換器的主要缺點是由六步變換(commutation)所引起的輸入電流中的高水平諧波含量并且不能將電力轉換到相反的方向。