专利名称：使用y字形结构的复合式交流-直流功率转换器的制作方法
使用Y字形结构的复合式交流-直流功率转换器
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。还开发出另一种三相二极管桥改进方案，即通过利用更多数量的变换步骤来实现各种无源方案:整流相位数量越大，则输入谐波的幅度越小。同样，利用更大变换频率，一些低频谐波会消除。利用更小的电感器和电容器，可以容易地减弱高频谐波。为了将变换步骤的数量从6增大到12或18，三相配电总线必须转换为六相或九相总线然后整流。可以采用大量变压器和自耦变压器来执行这些任务。18脉冲转换器肯定会比12脉冲转换器大。这样设计出的多脉冲交流-直流转换器具有更大重量和体积、更糟糕的损耗以及更差的可靠性。然而，在这一点上，这些技术方案对于中功率至低功率应用(其中仅需要单向功率传输)显得最有吸引力。高能效航空器的驱动要求需要双向功率传输。这创造了机会来再使用来自一些比如电气致动器的负载的再生功率。随之出现有源整流来满足该复杂任务。一些有源整流拓扑结构不是双向的，例如维也纳(Vienna)整流器。最普通的双向有源整流器是三相桥，它包括六个二极管、六个切换装置、直流链路电容器和用于与配电总线去耦的三个接口电感器。为了实现合适的高性能操作，需要高级矢量控制算法。这就需要采用附加的基于DSP的控制电子装置，每个切换装置都配有门驱动器。因为输入电流的波形可以控制，所以功率质量适应性相对容易满足。另一方面，EMI适应性很可能比较难以满足，这是因切换装置发出的差模噪音和共模噪音所致。已经获得具有双向功能的、具有高度竞争力的交流-直流转换器。然而，这种情况下的可靠性大幅下降，因为部件数量以及部件之间连接变多。通过上述内容得出的结论是，有源整流器多种多样，它们的特性也是变化多端。其中每个的成功从一个应用到另一应用会发生改变。因此，并没有出现明显的总体上的胜者。人们相信，在超过25KVA的功率水平内，有源整流是达成减小重量和体积目标的优选。因此，如果没有要求双向操作且功率水平低于特定水平，则优选无源多脉冲整流。历史上，无源交流-直流转换器一直在航空工业中占据统治地位，因为其更好简易性和更高可靠性。术语“复合式交流-直流转换器”用于区分通过使用不对称自耦变压器并行使用两种或两种以上转换方法的转换器。复合式交流-直流转换器的概念源自对不对称自耦变压器朝更小尺寸、更小重量以及更高效率的方向的进一步改进，其最初在美国专利6，396，723，标题为“整流器及其变压器”中描述。该专利将其自身限制为特征在于若干12和18脉冲自耦变压器系统。标题为“具有低成本磁性元件的谐波滤波器”的另一个专利US6，498，736更一般性地描述了不对称自耦变压器，以及详细说明了一些三角形构造配置。虽然和现有技术转换器相比，上述复合式转换器在性能改进方面迈了一大步，但是在该领域仍然有可能进一步改良。六脉冲整流方案产生如等式1表示的可预测谐波:F(h) = (k*q+/-l)*fl(1)其中:
F(h)是特征谐波，k是从I开始的整数，q是表示变换/循环次数的整数，以及fl是基频。六脉冲整流系统的特征电流谐波包括第5、第7、第11、第13、第17、第19和第23基波。这些谐波具有较大幅度，并且对于六脉冲系统而言，会超过基波的33%。理论预测，朝向更高脉冲整流器系统，会减小系统的电流THD。例如，12脉冲整流器具有大约8.5 %的电流THD (没有低于第11次的谐波)，18脉冲整流器具有大约3 %的电流THD (没有低于第17次的谐波)，以及24脉冲整流器具有大约1.5 %的电流THD (没有低于第23次的谐波)。自耦变压器转换率(ACR)用于帮助比较基于交流-直流转换器的不同类型自耦变压器。它基于等效kVA额定值的等式(见等式2)。等式3用作为帮助比较具有不同尺寸和重量的转换器的工具:等效kVA = 0.5* Σ (Vrms^Irms) /1000(2)其中Vrms是每个单独绕组电压的伏特rms值，Irms是每个单独绕组电流的安培rms值。ACR = 2*IDC out*VDC out/ Σ (Vrms*Irms)(3)其中VDC out是输出整流电压，单位为伏特，而IDC out是输出整流电流，单位为安培，Vrms是每个单独绕组电压的伏特rms值，Irms是每个单独绕组电流的安培rms值，ACR的单位是W/VA。
利用该等式，美国专利6，995，993描述具有1.53W/VA的ACR的功率转换。这是当前用在A350 VCRUMC和CDMMC控制器设计中的对称自耦变压器。采用12脉冲和18脉冲不对称自耦变压器的美国专利6，396，723具有改进的ACR数量。美国专利6，396，723中最小18脉冲自耦变压器的估算ACR是3.53W/VA。ACR差异表示不对称18脉冲自耦变压器具有仅为等效对称型的0.43倍尺寸和重量的潜力。不对称自耦变压器尺寸和重量得以减小，连同因其绕组具有更小VA而得以改进固有效率，这两方面因素使得复合式交流/直流转换更具吸引力。用在复合式系统中的所有不对称自耦变压器满足这样的结构图:它利用等边三角形的顶点和在顶点之间划出的弧线，该弧线等于三角形一条边长。自耦变压器相位输出的数量则由从等边三角形中点划出的等距射线数量来决定。这些射线和弧线的交叉点用于设计自耦变压器绕组电压比和互连。通过这种方式设计的自耦变压器具有比电压源更小幅度的输出电压，而电压源线间幅度单独确定该系统的直流输出电平。因为自耦变压器输出具有电压差，所以负载电流分成两支。负载电流的大部分旁路自耦变压器，且直接通过主整流器桥来整流。负载电流的剩余部分流过自耦变压器，且通过辅桥整流器来整流。在图1至3中示出现有技术中不对称自耦变压器的若干示例。所有都利用不同长度的线段来表示，所述线段与绕组匝数成比例，沿表示所绕的相应3相变压器芯柱的方向绘制。仍然需要改进复合式交流-直流功率转换系统和方法。
发明内容
在本发明的一个方面中，一种复合式交流-直流功率转换器包括不对称自耦变压器，其中自耦变压器的每个芯柱(leg)满足Y字形结构变压器矢量图，该矢量图利用等边三角形的顶点构成，其中在顶点之间划出的弧线等于三角形一条边长；主桥整流器，其接收来自自耦变压器的电流主要部分；以及多个辅桥整流器，每个辅桥整流器从自耦变压器的每个芯柱接收输出。在本发明的另一个方面中，一种利用交流-直流功率转换器将交流功率转换成直流功率的方法包括将第一部分负载电流通过主整流器；将第二部分负载电流通过自耦变压器，其中自耦变压器的每个芯柱满足Y字形结构变压器矢量图，该矢量图利用等边三角形的顶点构成，其中在顶点之间划出的弧线等于三角形一条边长；并且利用多个辅桥整流器来整流来自自耦变压器的输出，每个辅桥整流器从自耦变压器的每个芯柱接收输出。在本发明的进一步方面中，一种用于减小交流-直流功率转换器的总谐波失真(THD)的方法包括将负载电流的主要部分通过主整流器；将负载电流的剩余部分通过自耦变压器，其中自耦变压器的每个芯柱满足Y字形结构变压器矢量图，该矢量图利用等边三角形的顶点构成，其中在顶点之间划出的弧线等于三角形一条边长；并且利用多个辅桥整流器来整流来自自耦变压器的输出。参照下面的附图、说明和权利要求，将能够更好理解本发明的这些和其它特征、方面和优点。
图1是根据现有技术的12脉冲不对称自耦变压器的结构图；图2是根据现有技术的18脉冲不对称自耦变压器的结构图；图3是根据现有技术的另一 18脉冲不对称自耦变压器的结构图；图4是根据本发明的示例性实施例的12脉冲交流-直流复合式系统的Y字形结构不对称自耦变压器的结构图；图5是根据本发明的示例性实施例的18脉冲交流-直流复合式系统的Y字形结构不对称自耦变压器的结构图；图6是根据本发明的示例性实施例的24脉冲交流-直流复合式系统的Y字形结构不对称中点自耦变压器的结构图；图7是图4的12脉冲交流-直流复合式系统的一个芯柱的结构图；图8是图5的18脉冲交流-直流复合式系统的一个芯柱的结构图；图9是图6的24脉冲交流-直流复合式系统的一个芯柱的结构图；以及图10示出采用Y字形结构不对称自耦变压器的功率转换系统的示例性电路图。
具体实施例方式下面的详细说明是实现本发明的示例性实施例的当前构思的最佳方式。该说明不能理解为限制性意义，而仅仅只是用于阐述本发明的一般原理，而本发明的范围由所附权利要求来最佳限定。下面说明了多个创造性特征，这些特征可以相互独立地使用，或者可以与其它特征结合使用。概括来说，本发明的实施例提供了一种用于将电功率从交流转换成直流的复合式功率转换方法。该复合式功率转换方法采用两种或两种以上的并行的转换方法，并提供了一种无源技术，该技术利用Y字形不对称自耦变压器将输入3相电压“分离”成附加相位，以使得直流整流脉冲的数量增加。该Y字形不对称自耦变压器仅吸收一小部分3相输入电流，因此减小了损耗。如上所述，在图1至3中示出现有技术中不对称自耦变压器的若干示例。所有都利用不同长度的线段来表示，所述线段与绕组匝数成比例，沿表示所绕的相应3相变压器芯柱的方向绘制。可以确定，自耦变压器配置线段长度之和与为比较其交流-直流转换效率计算出的ACR数之间具有反比关系。长度之和越小，ACR数就越大，或者说，自耦变压器完成交流-直流转换的W/VA效率越高。在不对称18脉冲自耦变压器配置中，使用Y字形结构矢量而非三角形矢量，可以获得最小的线段长度之和。为了说明这一点，通过标准化结构图中的线段长度之和，可以将美国专利6，396，723和6，498，736中描述的12和18脉冲配置的自耦变压器三角形结构和Y字形结构的结构图的进行对比。模拟产生的ACR数和提出的12和18脉冲Y字形结构进行对比。利用等于3*1.7321 = 5.1962(图3所示等边三角形的周长)的标准化数，可以获得下面的测量值。对于美国专利6，396，723 (图1)，12脉冲配置的最小线段之和(标准化之后)为6.0/5.1962 = 1.1547。类似的，对于美国专利6，498，736 (图1)，12脉冲配置的最小线段之和(标准化之后)为6/5.1962 = 1.1547。对于美国专利6，396，723 (图3)，18脉冲配置的最小线段之和(标准化之后)为5.9085/5.1962 = 1.1371。对于美国专利6，498，736 (图2)，18脉冲配置的最小线段之和(标准化之后)为6.6212/5.1962 =1.2742。对于24脉冲配置，仅美国专利6，498，736提出一种方案。对于该假定配置，最小线段之和(标准化之后)为7.4249/5.1962 = 1.4289。根据本发明的示例性实施例的Y字形结构构造的不对称自耦变压器配置产生最小线段之和，并且对于所有不对称自耦变压器配置的交流-直流转换可能最有效率。原因在于，由于交流输入处的单个线段仅需要每相计数一次，而在三角形配置中所有的段必须计数两次，所以这些Y字形配置具有较小的线段之和。12脉冲配置的最小线段之和(标准化之后)为5.5.1962/5.1962 = 1.0000。顶点18脉冲配置的最小线段之和(标准化之后)为5.6385/5.1962 = 1.0851。中点18脉冲配置的最小线段之和(标准化之后)为5.5869/5.1962 = 1.0752。中点24脉冲配置的最小线段之和(标准化之后)为
5.7444/5.1962 = 1.1055。如果比较三角形和Y字形线段之和，可以得出相对性能的认识。对于12脉冲配置，Y字形构造的自耦变压器可以预期比现有技术小0.866。对于18脉冲变压器，Y字形构造的中点自耦变压器可以预期比美国专利6，396，723小0.9456，比美国专利6，498，736小
0.7421。对于24脉冲变压器，Y字形构造的中点自耦变压器可以预期比美国专利6，498，736小 0.7737。在图4中示出中点Y字形结构不对称12脉冲自耦变压器的结构图。对这些为IOkW电阻性负载供电的12脉冲交流-直流转换器进行模拟得到ACR，其可以通过查阅各种配置的线段之和预测出。在该模拟中，现有技术中用于12脉冲不对称自耦变压器的等效kVA为
2.785。根据本发明实施例的基于Y字形12脉冲不对称自耦变压器配置(类似地加载)具有2.204的等效kVA。相对于提到的现有技术的ACR，ACR改进了 25%。该Y字形配置可以采用增强型拓扑结构，其从输入到输出没有交流相移，但是ACR减小。图5示出中点Y字形结构不对称18脉冲自耦变压器结构图。可以采用两种性能等效的实现方式(其中一种由虚线示出)。不对称变压器交流输入处于点A、B和C。输出处于a’、a”、b’、b”、c’、C”。该Y字形配置可以采用增强型拓扑结构，其从输入到输出没有交流相移，但是ACR减小。对这些为IOkW电阻性负载供电的18脉冲交流-直流转换器进行模拟得到ACR，其可以通过查阅各种配置的线段之和预测出。在该模拟中，现有技术中用于18脉冲不对称自耦变压器的最低等效kVA为2.6978(美国专利6，396，723)。根据本发明实施例的基于Y字形(中点)18脉冲不对称自耦变压器配置(类似地加载)具有2.5936的等效kVA。ACR改进超过4%。在该模拟中，现有技术中用于18脉冲不对称自耦变压器的最低等效kVA为
3.0695 (美国专利 6，498，736)。ACR 改进大于 18% 0在图6中示出中点Y字形结构不对称24脉冲自耦变压器结构图。可以采用两种性能实现方式(其中一种由虚线示出)。不对称变压器交流输入处于点A、B和C。输出处Ta，、a，，、a，，，、b，、b，，、b，，，、C，、C，，、C，，，。该Y字形配置可以采用增强型拓扑结构，其从输入到输出没有交流相移，但是ACR减小。对这些为IOkW电阻性负载供电的24脉冲交流-直流转换器进行模拟得到ACR，其可以通过查阅各种配置的线段长度之和预测出。与美国专利6，498，736中所述配置相比，ACR改进预期大于20%。在图7中示出所提出的12脉冲自耦变压器图的一个“芯柱”。可以存在许多矢量组合，其会实现该12脉冲配置所需单个射线和弧线的交叉点坐标。利用Y字形结构，可以产生最有效的VA/W(伏特-安培/瓦特)结构。在图8中示出所提出的中点18脉冲自耦变压器图的一个“芯柱”。可以存在许多矢量组合，其会实现该18脉冲配置所需两个射线和弧线的交叉点坐标。利用Y字形结构，可以产生最有效的VA/W(伏特-安培/瓦特)结构。该中点自耦变压器图确定不同于美国专利6，396，723中类似配置自耦变压器的绕组匝数比。该中点方法还可以进一步减小实现不对称自耦变压器设计所需的线段长度总和。在图9中示出所提出的中点24脉冲自耦变压器图的一个“芯柱”。可以存在许多矢量组合，其会实现该24脉冲配置所需三个射线和弧线的交叉点坐标。利用Y字形结构，可以产生最有效的VA/W(伏特-安培/瓦特)结构。图10示出功率转换系统的示例性电路图，它可以采用Y字形结构不对称自耦变压器。与每个三相自耦变压器芯柱相关联的绕组在虚线长方形20a、20b、20c中编组。每个自耦变压器芯柱20a、20b、20c的输出可以通过辅助整流器22a、22b、22c。输入交流波形26可以分离成两部分负载电流，主要部分负载电流通过主要6个二极管的整流器桥24，剩余部分负载电流流过自耦变压器20以由辅桥整流器22a、22b、22c整流。根据本发明实施例的复合式交流-直流Y字形结构功率转换方法具有以下优点:.本发明的Y字形结构转换方法的ACR和现有技术相比有很大改进。.在瞬时输入电压期间，转换器能够稳定工作。.由于大部分功率流过主要的六脉冲整流器，所以效率非常高。.因为大部分功率由简单的六脉冲整流器来转换，所以重量减轻。 因为直流电压变化小，所以电驱动能够在更加优化的模式下操作。这符合能量优化航空器的最新MEA趋势。.因为体积、重量和损耗减小，所以`本发明的方法可以容易地用于改型应用场合。.虽然该交流-直流复合式转换器的应用被认为适用于小于25kW的功率系统，但是该系统本身并不限制功率。当然，应当理解的是，前述内容涉及本发明的示例性实施例，但还可以进行多种变型而不会脱离由权利要求限定的本发明的精神和范围。
权利要求
1.一种复合式交流-直流功率转换器(20)，包括: 不对称自耦变压器，其中该自耦变压器的每个芯柱(20a，20b，20c)满足Y字形结构变压器矢量图，该矢量图利用等边三角形的顶点构成，其中在顶点之间划出的弧线等于三角形一条边长； 主桥整流器(22a)，其接收来自自耦变压器电流的主要部分；以及 多个辅桥整流器(22b，22c)，每个辅桥整流器从自耦变压器的每个芯柱接收输出。
2.权利要求1的功率转换器，其中自耦变压器相位输出的数目由从等边三角形中点发出的射线的数目确定。
3.权利要求1或2的功率转换器，其中自耦变压器相位输出的数目由从等边三角形顶点发出的射线的数目确定。
4.权利要求1至3之一的功率转换器，其中自耦变压器满足Y字形结构不对称12脉冲自耦变压器结构图。
5.权利要求1至3之一的功率转换器，其中自耦变压器满足中点或顶点Y字形结构不对称12脉冲自耦变压器结构图。
6.权利要求1至3之一的功率转换器，其中自耦变压器满足中点或顶点Y字形结构不对称18脉冲自耦变压器结构图。
7.权利要求1至3之一的功率转换器，其中自耦变压器满足中点或顶点Y字形结构不对称24脉冲自耦变压器结构图。
8.一种利用交流-直流功率转换器(20)将交流功率转换成直流功率的方法，该方法包括: 将第一部分负载电流(26)通过主整流器(22a)； 将第二部分负载电流(26)通过自耦变压器，其中自耦变压器的每个芯柱(20a，20b，20c)满足Y字形结构变压器矢量图，该矢量图利用等边三角形的顶点构成，其中在顶点之间划出的弧线等于三角形一条边长；以及 利用多个辅桥整流器(22b，22c)来整流自耦变压器的输出，每个辅桥整流器从自耦变压器的每个芯柱接收输出。
9.权利要求8的方法，还包括通过向自耦变压器提供作为总交流输入的一小部分的所述第二部分从而最小化自耦变压器的损耗。
10.权利要求8或9的方法，其中第一部分是负载电流的主要部分，第二部分是负载电流的剩余部分。
全文摘要
一种利用将电功率从交流转换成直流的Y字形不对称自耦变压器的复合式功率转换方法，并行采用两个或两个以上的转换方法，并且提供无源技术，其将输入3相电压“分离”成附加相位，因此直流整流脉冲的数量增大，从而改进交流线电流THD。该Y字形不对称自耦变压器拓扑结构相比于现有技术的不对称自耦变压器可以潜在改进尺寸/重量和效率。
文档编号H01F30/02GK103187885SQ20131005408
公开日2013年7月3日 申请日期2013年1月2日 优先权日2012年1月3日
发明者E·加内夫, W·沃尔, K·陈 申请人:霍尼韦尔国际公司