[发明专利]复合交流到直流功率变换器

说明书

技术领域

本发明涉及用于采用复合技术的电功率交流(AC)到直流(DC)变换器的装置和方法，尤其涉及用于利用并行操作的多于一种类型的变换技术的电功率交流到直流变换器的装置和方法。

背景技术

交流到直流变换器在现代航空航天/军用工业中扮演了重要的角色。特别是在用于航空器和宇宙飞船的多电架构(MEA)的领域中。

商业航空器行业(business)正在朝着具有无引气(no bleed-air)环境控制系统(MCS)、变频(VF)配电系统和电气驱动的MEA方向发展。典型的例子是波音787平台。空中客车A350飞机结合了大量的MEA元件。将来，下一代波音飞机(代替737)和空中客车飞机(代替A320)将很可能地利用MEA。一些军用航空器已经将MEA用于其它功能当中的主要和次要的飞行控制。

军用陆上车辆已经朝着混合动力技术的方向转移(migrate)，其中通过电驱动来完成主推进。因此，在该领域中已经出现了对增加功率电子器件的大量需求。将来的太空交通工具将需要用于推力矢量和飞行控制驱动的电功率生成系统。这些系统与现有的航天飞机电力系统相比必须更稳健并且提供大大减少的运行成本并且更安全。

这些新的航空航天和军用的趋势明显增大了电功率生成的需要。总的结果是明显增大了对于使电气设备适应新平台的挑战。为了满足系统质量和性能，已经产生了一套新的电能质量(power quality)和电磁干扰(EMI)要求。作为MEA的一部分的最近的趋势是能量经济的航空器，其中电功率和热管理是相互关联的。因此，整个系统性能改善并且特别是功率密度增大对于新一代硬件而言是必需的。这已经导致了工作电压增大以及对于减少系统损耗、重量和体积所付出的努力增大。这特别适用于交流到直流变换，该交流到直流变换是功率变换电子器件的重量、体积和成本的重要贡献者。

电能质量是MEA航空器最关心的部分，因为在同一个空中客车上安装了大量电功率系统和设备。这些系统和设备的电能质量具有更为严格的要求以确保所有供电/用电设备适当地共同发挥作用。对于供电设备而言，实施(implement)额外的监控特征来检测可能经历(experience)电能质量问题的设备或多组设备，并将其隔离。这种隔离能力是为了保护其它的运行中的供电和用电设备。

对于用电设备而言，强制实行严格的电能质量要求。下面列出了这些要求的一些理由：

·促成电能质量问题的设备会导致其它设备失效。

·由于电源的电能质量下降而阻止设备实现其设计性能或可靠性。

·可能为了满足所希望的最小重量，利用降低的功率储备(powermargin)或没有功率储备而设计的设备会倾向于更容易受电能质量问题的影响。并且，为使重量减为最小而设计的设备倾向于引起电能质量问题。

·设备由于自生的电能质量问题而失效。

对于交流电气设备的电能质量要求由大量参数组成。下面列出了其中的一些参数：

·电流失真

·突入电流(inrush current)

·电压失真

·电压调制

·功率因数

·相位平衡

·直流成分

由交流谐波组成的电流失真对于设备而言是关键的设计驱动。对于电流谐波、子谐波和间谐波(interharmonics)的要求将容许的失真规定为输入电压的基频的倍数的函数。通常的交流到直流变换器的电流谐波谱包括高达39的所有奇次谐波，其范围是最大电流基波的10％至0.25％。电流失真要求是关键的设计驱动，因为其通常显著地影响设备重量。电流失真也被规定为设备额定功率的函数，因为更高功率的设备对电源总线具有更大的影响。

对于交流到直流变换器而言，对直流输出的要求也是很重要的。这些要求包括纹波电压和电压降。纹波电压和电压降决定诸如逆变器的输出设备的直流工作范围。

当将三相交流变换成直流时，最典型的方法是采用单个三相全波整流器，其中六个整流元件以桥式配置连接。在这种三相全波整流器中，通过转换(changing over)整流元件以便使其以60°的相隔依次导通来输出直流电压。然而，根据该方法，已整流过的直流电压包含大幅度的电压纹波(voltage ripple)，其周期为电源频率的六倍，从而产生谐波。

如能够看到的，需要一种改进的交流到直流变换器，其可以提供足够的功率密度，同时基本上不会增加功率变换电子器件的重量、体积和成本。

发明内容