[發明專利]使用Y字形結構的復合式交流-直流功率轉換器

無效

• 申請號: 201310054083.8
• 申請日: 2013-01-02
• 公開（公告）號: CN103187885A
• 公開（公告）日: 2013-07-03
• 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: H02M7/02
• 分類號: H02M7/02;H01F30/02
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 曲寶壯;盧江

背景技術

本發明涉及用于功率轉換的裝置和方法(系統和方法)，更具體而言，涉及使用Y字形結構的復合式交流(AC)-直流(DC)功率轉換器。

在現代航空/軍用工業中，交流-直流轉換器發揮了重要作用。在用于航空器和宇宙飛船的更加電氣化結構(MEA)的領域尤其如此。

商用航空器行業正朝著MEA的方向發展，MEA具有無排氣環境控制系統(ECS)、變頻(VF)功率分配系統和電氣致動。利用這種新型結構的典型示例平臺是波音787?？湛虯350飛機也包含有大量MEA元件。在未來，下一代波音飛機(替代737)和空客飛機(替代A320)將極有可能使用MEA。此外，一些軍用航空器已經采用MEA用于初級和次級飛行控制，以及用于其它功能。

軍用陸上車輛已經朝向混合電技術發展，其中主要推進由電驅動執行。這種方式變化是導致為此目的對于更大功率電子設備的需求猛增的一個示例。

另一種可能的發展途徑是，未來的太空車將需要發電系統提供推力矢量和飛行控制致動。和現有航天飛機功率系統相比，這些系統必需更具魯棒性，且必需操作成本大幅下降同時安全性能得以增強。

這些新的航空和軍用趨勢已大幅增加對發電系統的需求。因此總體結果是明顯開始重視應對這種將電氣設備適配到新平臺的需求帶來的挑戰。這導致操作電壓升高，同時還要努力減小系統的損耗、重量和體積。已經建立一套新的電功率質量和電磁干擾(EMI)要求來滿足系統質量和性能需求。一個最新趨勢是采用MEA作為高能效航空器的基礎，其中電功率和熱管理相互關聯。因此，對于新一代硬件，需要改善總體系統性能，并且更具體地為增大功率密度。這尤其適用于交流-直流轉換，它會對功率轉換電子裝置的重量、體積和成本帶來很大貢獻。

功率質量是MEA航空器的主要關注點，因為大量電功率系統和設備都安裝在同一條總線上。這些系統和設備的功率質量具有嚴格得多的要求，以便確保所有功率供給/用電設備都一起正常運行。

對于功率供給設備而言，采用附加監測特征來檢測和隔離可能會遭遇功率質量問題的設備或設備組。這種隔離措施的預期目的是為了保護其它正在運行的功率供給和用電設備。

對于功率用電設備而言，已經對其實行嚴格的功率質量要求。之所以這樣，原因如下：

·導致功率質量問題的設備會導致其它設備出現故障。

·因為源的功率質量變差，所以設備被阻止實現其設計性能或可靠性。

·可能是為了滿足期望的最小重量而設計成沒有功率裕度的設備會更加容易遭遇功率質量問題。以及，設計成重量最小化的設備會遭遇功率質量問題。

·設備會因自身產生的功率質量問題而出現故障。

交流電氣設備的功率質量要求包括大量參數。這些參數包括電流失真、涌入電流、電壓失真、電壓調制、功率因數、相位平衡和直流含量。

由交流諧波構成的電流失真問題是設備的關鍵設計驅動力。電流諧波、分諧波和交互諧波的要求規定了作為輸入電壓基頻倍數的函數的可容許失真。

典型的電流諧波包括高達39次的所有奇次諧波，其限于10％至0.25％的最大電流基波的范圍內。電流失真要求之所以是關鍵的設計驅動力，是因為它通常會對設備重量帶來很大影響。

電流失真還規定為設備額定功率的函數，因為更大功率的設備對于功率總線的影響更大。

包括紋波電壓和電壓下降的直流輸出要求對于交流-直流轉換器也很重要。紋波電壓和電壓下降決定了例如逆變器的輸出設備的直流運行范圍。

歷史上，無源交流-直流轉換器在航空功率電子裝置工業中占據統治地位。之所以這樣有多個原因，包括簡便、不必滿足嚴格功率質量要求、不必滿足嚴格EMI適應性要求、以及不需要再生電功率來用于配電總線。

無源交流-直流轉換器通常包括二極管和濾波電容器。它們的特征是低損耗、高可靠性以及相對小的重量和體積。三相配電總線的主要代表是三相二極管橋，它的最小配置包括六個二極管和一個平滑電容器。這種轉換器的主要缺陷在于，六步變換導致輸入電流的高水平諧波含量，以及不能反方向傳輸功率。

作為MEA創新的一部分，人們已經將更大功率水平的電子設備安裝到最新平臺上。這導致大量用電硬件連接到同一條配電總線。這種發展反而導致各種負載和發電系統之間的關系更加復雜。人們已經設計出良好限定的嚴格功率質量和EMI適應性要求，以努力減小不斷增加的復雜性的影響。例如，傳統的三相二極管橋不滿足新環境。因此必須添加復雜的無源濾波器來獲得輸入諧波適應性，但這會導致重量大幅增加。