[发明专利]使用Y字形结构的复合式交流-直流功率转换器

说明书

背景技术

本发明涉及用于功率转换的装置和方法(系统和方法)，更具体而言，涉及使用Y字形结构的复合式交流(AC)-直流(DC)功率转换器。

在现代航空/军用工业中，交流-直流转换器发挥了重要作用。在用于航空器和宇宙飞船的更加电气化结构(MEA)的领域尤其如此。

商用航空器行业正朝着MEA的方向发展，MEA具有无排气环境控制系统(ECS)、变频(VF)功率分配系统和电气致动。利用这种新型结构的典型示例平台是波音787。空客A350飞机也包含有大量MEA元件。在未来，下一代波音飞机(替代737)和空客飞机(替代A320)将极有可能使用MEA。此外，一些军用航空器已经采用MEA用于初级和次级飞行控制，以及用于其它功能。

军用陆上车辆已经朝向混合电技术发展，其中主要推进由电驱动执行。这种方式变化是导致为此目的对于更大功率电子设备的需求猛增的一个示例。

另一种可能的发展途径是，未来的太空车将需要发电系统提供推力矢量和飞行控制致动。和现有航天飞机功率系统相比，这些系统必需更具鲁棒性，且必需操作成本大幅下降同时安全性能得以增强。

这些新的航空和军用趋势已大幅增加对发电系统的需求。因此总体结果是明显开始重视应对这种将电气设备适配到新平台的需求带来的挑战。这导致操作电压升高，同时还要努力减小系统的损耗、重量和体积。已经建立一套新的电功率质量和电磁干扰(EMI)要求来满足系统质量和性能需求。一个最新趋势是采用MEA作为高能效航空器的基础，其中电功率和热管理相互关联。因此，对于新一代硬件，需要改善总体系统性能，并且更具体地为增大功率密度。这尤其适用于交流-直流转换，它会对功率转换电子装置的重量、体积和成本带来很大贡献。

功率质量是MEA航空器的主要关注点，因为大量电功率系统和设备都安装在同一条总线上。这些系统和设备的功率质量具有严格得多的要求，以便确保所有功率供给/用电设备都一起正常运行。

对于功率供给设备而言，采用附加监测特征来检测和隔离可能会遭遇功率质量问题的设备或设备组。这种隔离措施的预期目的是为了保护其它正在运行的功率供给和用电设备。

对于功率用电设备而言，已经对其实行严格的功率质量要求。之所以这样，原因如下：

·导致功率质量问题的设备会导致其它设备出现故障。

·因为源的功率质量变差，所以设备被阻止实现其设计性能或可靠性。

·可能是为了满足期望的最小重量而设计成没有功率裕度的设备会更加容易遭遇功率质量问题。以及，设计成重量最小化的设备会遭遇功率质量问题。

·设备会因自身产生的功率质量问题而出现故障。

交流电气设备的功率质量要求包括大量参数。这些参数包括电流失真、涌入电流、电压失真、电压调制、功率因数、相位平衡和直流含量。

由交流谐波构成的电流失真问题是设备的关键设计驱动力。电流谐波、分谐波和交互谐波的要求规定了作为输入电压基频倍数的函数的可容许失真。

典型的电流谐波包括高达39次的所有奇次谐波，其限于10％至0.25％的最大电流基波的范围内。电流失真要求之所以是关键的设计驱动力，是因为它通常会对设备重量带来很大影响。

电流失真还规定为设备额定功率的函数，因为更大功率的设备对于功率总线的影响更大。

包括纹波电压和电压下降的直流输出要求对于交流-直流转换器也很重要。纹波电压和电压下降决定了例如逆变器的输出设备的直流运行范围。

历史上，无源交流-直流转换器在航空功率电子装置工业中占据统治地位。之所以这样有多个原因，包括简便、不必满足严格功率质量要求、不必满足严格EMI适应性要求、以及不需要再生电功率来用于配电总线。

无源交流-直流转换器通常包括二极管和滤波电容器。它们的特征是低损耗、高可靠性以及相对小的重量和体积。三相配电总线的主要代表是三相二极管桥，它的最小配置包括六个二极管和一个平滑电容器。这种转换器的主要缺陷在于，六步变换导致输入电流的高水平谐波含量，以及不能反方向传输功率。

作为MEA创新的一部分，人们已经将更大功率水平的电子设备安装到最新平台上。这导致大量用电硬件连接到同一条配电总线。这种发展反而导致各种负载和发电系统之间的关系更加复杂。人们已经设计出良好限定的严格功率质量和EMI适应性要求，以努力减小不断增加的复杂性的影响。例如，传统的三相二极管桥不满足新环境。因此必须添加复杂的无源滤波器来获得输入谐波适应性，但这会导致重量大幅增加。