[发明专利]一种起动发电系统功率变换器及其控制方法

说明书

本发明公开一种起动发电系统功率变换器及其控制方法，所述功率变换器包括三相全桥逆变模块、驱动电路和控制电路，三相全桥逆变模块由寄生有反并联体二极管的MOSFET模块组成，每一个MOSFET对应一个所述驱动电路，其特征在于，所述驱动电路为复合驱动电路，在起动工作模式下，驱动电路工作于典型的MOSFET驱动方式，MOSFET模块实现逆变桥的功能；在发电工作模式下，驱动电路响应控制电路的选通信号，选择性地驱动MOSFET的开通和关闭，MOSFET模块实现整流桥的功能。本方案用一个三相MOSFET模块实现了起动和发电的功率电路一体化集成，通过MOSFET开关控制大幅降低了发电模式下整流输出的导通损耗，提升了系统效率，控制简单，可靠性高，尤其适用于航空低压大功率起动发电系统。

技术领域

本发明涉及一种起动发电控制系统，尤其涉及一种飞机或汽车用高功率密度高速电机直流起动发电主功率系统及相应控制方法，属于起动发电技术领域。

背景技术

目前飞机或汽车上采用的直流电源系统中，多数起动发电机均为有刷电机。有刷电机技术成熟，起动发电控制简单，但是由于其结构中有电刷和滑环，存在电刷易磨损的缺陷，平均故障维护周期短。因此采用电力电子开关器件取代电机电刷，实现电机电流换向成为电机起动发电领域的一个热门方向。

航空航天领域对搭载的设备体积和重量要求极为严苛，对可靠性要求极高。起动发电机为了满足高功率密度的需求，通常工作在较高的转速状态，通过提高其电频率以提高功率密度。一般的电频率可高达1～2kHz。这么高的电频率使得电机的起动和发电控制难度增加。同时为了提升起动发电系统的功率密度，一般要把起动控制器和发电控制器在硬件上合并，形成起动发电控制器，简称SGCU(Start-Generator Control Unit)。SGCU是一种与起动发电机配合使用的控制装置。他是一种具有四象限运行，能量可双向流动的电力变换器。当工作于电动状态时，SGCU工作于逆变状态，将蓄电池等电源产生的能量经调制以后，输出给电机，转化为机械能驱动与起动发电机相连接的发动机，带动发动机运转完成起动工作。当工作于发电状态时，SGCU工作于整流状态，将电机发出的电能变换成所需要的直流电，供机载或车载设备使用。

目前主要直流起动发电系统主要有以下几种方式：

方案1)全控整流调压，SGCU采用的三相全桥拓扑，通常通过空间矢量调制(SVPWM)算法，通过调节定子电流矢量的幅值和相角，实现电机的起动和发电控制。

方案2)基于移相整流原理，通过调节导通相角的方式调节输出电压。SGCU采用不对称半桥拓扑。三相分别采用一组不对称半桥进行控制。在起动过程和发电过程中，不对称半桥工作于不同角度范围。通过调节导通角和励磁电流大小来实现起动和发电控制。

方案3)不控整流原理，通过调节励磁调压，SGCU采用三相全桥拓扑，额外加一个调节励磁电流的H桥。即随着负载或者发动机转速变化，当输出电压降低时，增加励磁电流以提升输出电压；当输出电压变高时，降低励磁电流甚至施加反向的弱磁电流以降低输出电压。通过调节励磁电流达到输出电压稳定。

方案1)所述的方式较适用于永磁同步电机起动发电系统。其优点是起动发电完全共用一套硬件电路，效率和功率密度高。其主要缺点控制较为复杂，特别是当适配对象为高速永磁同步电机时，由于电机本身极小的电感，发电调节控制难度较大，且该模式下发电为Boost升压发电，只能作升压调节，调压范围窄。由于永磁电机灭磁的问题，极少应用于航空领域，主要应用于民用汽车起动发电系统。方案2)所述的方案，配合开关磁阻电机已经成功应用在航空起动发电上，其主要缺点是，在起动发电过程中，仍然需要准确知道发电机转子的准确位置，准确调节导通角。因在发电过程中需时刻采集电机的转子位置，要增加编码器或者转子位置的辨识方案，相对来说控制亦较为复杂。方案3)的优点在于发电调节的控制非常简单，在航空领域得到了大规模的应用。但随着技术不断发展，机载设备增多，用电的需求越来越大。主功率回路的三相整流桥二极管的压降带来的发热损耗，随着功率变大而成倍的增加，极大的限制了SGCU的效率、功率密度。

发明内容