[发明专利]具有升压能力的复合类AC到DC电力变换器

说明书

背景技术

本发明涉及采用不对称的自耦变压器技术的交流(AC)到直流(DC)电力变换的装置和方法，以及，更具体地，涉及具有升压能力的AC到DC电力变换的装置和方法。

AC到DC变换器在现代航空航天工业/军事工业上发挥着重要作用。在针对飞机和航空器的更加电子化的架构(MEA)领域中更是这样。

商业飞机业务正在向具有非引气环境控制系统(ECS)、可变频率(VF)配电系统和电气驱动(actuation)的MEA前行。典型示例是波音787平台。空中巴士A350飞机包含了大量的MEA元件。在将来，下一代波音飞机(用于替代737)和空中巴士飞机(用于替代A320)，将更可能使用MEA。一些军用飞机已经在其他功能之间利用MEA用于初级和次级飞行控制。

军用地面车辆已经移向混合电力技术，其中主推进是由电力驱动器执行的。因此，在该领域已经出现了对于增强的动力电子设备大量的需求。未来太空飞行器将需要电子发电系统用于推力矢量和飞行控制驱动。这些系统必须更加耐用并且相比较于现有的航天飞机电力系统来说提供大大降低的操作成本以及安全性。

这些新的航空航天和军事趋势使电气发电的需要大大增加。这总体结果对于使电气设备适应新的平台来说大大增加了其挑战性。已经产生一组新的电能质量和电磁交互(EMI)需求来满足系统质量和性能。最新的趋势，作为MEA的一部分，是高能效的飞机，其中电力和热量管理是互相关的。因此，总体系统性能提高以及特定的功率密度增加对于新一代硬件来说是必须的。这必然导致增加操作电压，以及努力减少系统损耗、重量和容量。特别是应用于AC到DC变换，其对于重量、容量和电力变换电子设备的成本来说是本质上的贡献。

对于EMA飞机来说，电能质量是主要的考虑因素，因为大量的电力系统和设备被安装在相同的总线上。这些系统和设备的电能质量具有更加严格的要求以确保所有的电力供应/利用设备功能恰当的组合。对于电力供应设备，实现附加的监视特征来检测并使设备或设备组隔离，其可以经历电能质量问题。隔离能力用于保护其他操作电源和用电设备。

对于用电设备，施加严格的电能质量要求。这样的要求的某些原因列举如下：

对电能质量问题作出贡献的设备引起其他设备故障。

由于电源的减少的电能质量而阻止设备达到其设计性能或可靠性。

或许为了满足期望的最小重量，被设计成具有减少的或没有功率裕度(power margin)的设备趋向于更容易受电能质量问题影响。而且，被设计成使重量最小化的设备趋向于产生电能质量问题。

由于自身产生的电能质量问题可能引起装置故障。

AC电气设备的电能质量需求由大量的参数组成，这些参数中的某些被列举如下：

电流畸变

涌流

电压畸变

电压调制

功率因数

相平衡

DC含量(content)

由AC谐波组成的电流畸变是用于设备的关键的设计驱动因素。电流谐波、分谐波以及间谐波的需求根据输入电压的多个基波频率指定所允许的畸变。AC到DC变换器的典型的电流谐波谱包括多达39的所有奇次谐波，具有从最大电流基波10％到0.25％的限制范围。电流畸变需求是关键的设计驱动因素因为其通常大大影响设备的重量。还根据设备额定功率指定电流畸变因为电力设备越高其在电源总线上的影响越大。

对于AC到DC变换器，DC输出的需求也是重要的。该需求包括纹波电压和电压降(voltage droop)。纹波电压和电压降确定输出设备诸如逆变器的DC操作范围。

当变换三相AC到DC时，最典型的方法是采用单个三相全波整流器，其中六个整流元件被连接在桥接配置中。在这样的三相全波整流器中，DC电压通过转接整流元件而被输出使得它们以60度的间隔连续传导(conduct)。然而，使用该方法，整流后的DC电压包含具有一段六倍于电源频率的大振幅的电压纹波，产生谐波。

在历史上，无源AC到DC变换器已经主宰了航空航天电力电子工业，因为以下若干原因：简单，缺乏严格的电能质量需求，缺乏严格的EMI合规性(compliance)需求，以及不需要到配电总线的电力再生。无源的AC到DC变换器通常包括二极管和滤波电容器。它们表现为低损耗、高可靠性以及相对低的重量和容量。三相配电总线的主要代表是三相二极管桥，在其最小配置中包括六个二极管和一个平滑电容器。那些变换器的主要缺点是由六步变换(commutation)所引起的输入电流中的高水平谐波含量并且不能将电力转换到相反的方向。