一种飞机配电系统直流稳压电路、设计方法及应用与流程

1.本发明涉及飞机配电技术领域，尤其涉及一种无需反馈的飞机配电系统直流稳压电路、设计方法及应用。


背景技术：

2.用电能代替液压能、气能的多电飞机能够有效减轻飞机动力系统重量，减小油耗，提升系统的可靠性和经济性，是未来飞机发展的必然趋势。随着电力电子技术的不断成熟和完善，飞机的电气系统正逐步向电力电子化的方向发展，波音787飞机就应用了大量的电力电子技术及装置，包括变频交流发电机、变压整流器、静止变流器、电刹车供电电源等等。然而大量非线性电力电子电路的应用会使得系统的输出特性变得十分复杂，其中某个参数的微小变动可能会导致系统输出电压、电流等电气量产生较大的变化，因此为了保证负载跳变时飞机配电系统中直流电压的稳定输出，飞机中如inv、e-bpsu、spu等元件均采用dc/dc电路来稳压。
3.现有技术中用于飞机配电系统直流稳压的dc/dc电路的基本原理是：利用分压电阻对输出端电压进行采集，将采样结果传输到vfb端(反馈端)，反馈端将采集到的信号与给定电压进行对比，将结果通过运算放大器进行输出，调节载波来产生相应的pwm信号，以此改变开关管的占空比，从而实现恒压闭环控制。这种方法实质上是开关管按照减小采集电压与给定电压差值的目标进行调节，需要相对复杂的控制策略，且通信电路一旦受到干扰，反馈输出端就可能存在延迟甚至接收不到采集信号，使输出电压出现过冲，几个周期后才能逐渐趋于平稳。因此，dc/dc电路存在控制较为复杂且反馈通信电路可靠性低、成本较高等问题。
4.因此，有必要研究一种无需反馈的飞机配电系统直流稳压电路、设计方法及应用来应对现有技术的不足，以解决或减轻上述一个或多个问题。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明提供了一种飞机配电系统直流稳压电路、设计方法及应用，不需要负载与电源间的通信和反馈，也不需要复杂的控制手段，能够在负载跳变时实现飞机配电系统的直流稳压输出。
6.一方面，本发明提供一种飞机配电系统直流稳压电路，所述直流稳压电路包括直流电源、高频逆变电路、第一耦合器、谐振补偿回路、第二耦合器、整流电路和负载；
7.所述直流电源、所述高频逆变电路和所述第一耦合器依次连接；
8.所述谐振补偿回路的第一端与所述第一耦合器耦合连接，第二端与所述第二耦合器耦合连接；
9.所述第二耦合器、所述整流电路和所述负载依次连接。
10.如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述高频逆变电路为由四个高频开关管构成的单相桥式逆变电路。
11.如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述第一耦合器包括并联的第一耦合电感和第一谐振电容；所述第二耦合器包括串联的第二耦合电感和第二谐振电容。
12.如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述谐振补偿回路包括第三耦合电感、第四耦合电感和第三谐振电容，所述第三耦合电感、所述第三谐振电容和所述第四耦合电感依次并联；
13.所述第三耦合电感与所述第一耦合电感耦合连接；所述第四耦合电感与所述第二耦合电感耦合连接。
14.如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述第一耦合器与所述谐振补偿回路之间以及所述第二耦合器与所述谐振补偿回路之间耦合线圈的最优错位范围均为0-25cm。
15.如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，通过调整所述第二耦合器的占空比使所述负载接收到的电压为某一定值并提高该电压在负载跳变时的稳定性。
16.如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述高频逆变电路将直流电转换成交流电，所述交流电的频率与所述第一耦合器的谐振频率、所述谐振补偿回路的谐振频率以及所述第二耦合器的谐振频率均相同。
17.如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述第一耦合器和所述第二耦合器中的耦合电感均采用圆角矩形结构的电感芯，并在所述电感芯上绕设线圈材料。
18.如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述线圈材料为由数千股细线绕制成的利兹线。
19.如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述谐振补偿回路采用双极型dd线圈，能够使中间回路的两个电感l4、l5解耦。
20.另一方面，本发明提供一种如上任一所述的飞机配电系统直流稳压电路的设计方法，所述方法的步骤包括：
21.s1、器件参数选定：根据直流稳压电路要实现的谐振频率分别确定高频逆变电路中开关管的开关频率；以上述谐振频率作为第一耦合器、谐振补偿回路以及第二耦合器的谐振频率，确定第一耦合器、谐振补偿回路以及第二耦合器中耦合电感以及谐振电容的参数；
22.s2、对线圈在不同错位距离下的互感值进行分析，确定第一耦合器与谐振补偿回路之间以及第二耦合器与谐振补偿回路之间耦合线圈的最优错位范围；
23.s3、根据s1中确定的器件参数以及s2中确定的最优错位范围，模拟仿真出如上任一所述的直流稳压电路，并确定所述直流稳压电路的最优占空比；
24.所述最优占空比的条件是在负载跳变时所述负载接收到的电压能够保持稳定；
25.s4、根据s1中确定的器件参数、s2中确定的最优错位范围以及s3的最优占空比，搭建实物的直流稳压电路。
26.再一方面，本发明提供一种如上任一所述的飞机配电系统直流稳压电路的应用，所述直流稳压电路应用于飞机配电系统中各元件的dc/dc电力变换的场景。
27.如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述各元件为inv、e-bpsu或spu元件中，也可以是其他需要dc/dc电力变换的场景。
28.与现有技术相比，上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点或有益效果：本发明提供的飞机配电系统直流稳压电路，针对采用dc/dc电路来稳压存在的控制较为复杂且反馈通信电路可靠性低、成本较高等问题，能够实现不需负载与电源间的通信和反馈，也不需要复杂的控制手段，就能实现在负载变化时飞机配电系统的直流稳压输出；
29.上述技术方案中的另一个技术方案具有如下优点或有益效果：本发明针对飞机配电系统中的直流稳压电路拓扑提出的一种设计方法，可应用于飞机配电系统中inv(静止变流器)、e-bpsu(电刹车供电单元)、spu(启动功率单元)等元件中的dc/dc电力变换，能够有效解决上述元件中dc/dc变换电路控制较为复杂且反馈电路可靠性低、成本高等问题，实现在负载跳变时的稳压输出，并保证较高传输效率。
30.当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有技术效果。
附图说明
31.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
32.图1是本发明一个实施例提供的整流稳压电路拓扑图；
33.图2是本发明一个实施例提供的耦合线圈模型图；
34.图3是本发明一个实施例提供的互感随错位距离的变化趋势；
35.图4是本发明一个实施例提供的互感线圈水平错位示意图；
36.图5是本发明一个实施例提供的仿真模型图；
37.图6是本发明一个实施例提供的负载不同跳变情况下的电压和电流波形图，其中，每组波形图中上方为电压波形图，下方为电流波形图。
具体实施方式
38.为了更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。
39.应当明确，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
40.为了使负载跳变时飞机配电系统输出稳定的直流电压，本发明提出了一种无需反馈的飞机配电系统直流稳压电路的设计方法。选取了飞机配电系统中inv、e-bpsu、spu等元件中的dc/dc电力变换电路作为应用场景。整个电路结构由三部分构成，并通过两组互感线圈耦合在一起，系统中还需加入补偿电容使其工作在谐振状态。利用基尔霍夫定律以及基波分析法等原理对该电路进行建模，可以得到其输出电压独立于负载变化的特性。电路的拓扑结构和设计流程如图1所示。
41.该电路包括三部分。第一部分包括直流电源、高频逆变电路以及耦合器，电源提供的直流电经过高频逆变电路，变换为与l3和cp构成的耦合器(即第一耦合器)的谐振频率同
频率的交流电再输送到该耦合器；第一耦合器包括电容cp和电感l3，两者并联设置，耦合器的正极通过电感l2与高频逆变电路的第二正极端连接，耦合器的负极直接与高频逆变电路的第二负极端连接；高频逆变电路的第一正极端和第一负极端分别与直流电源的正负极连接；高频逆变电路的第一正极端与直流电源正极之间串接有电感l1；高频逆变电路由四个开关管构成。第二部分为中间谐振补偿回路，包括依次并联的电感l4、电容cd和电感l5；其中电感l4与第一部分耦合，电感l5与后面的第三部分耦合。第三部分为负载端，通过由l6与cs构成的耦合器(即图1中的串联的电感l6和电容cs)接收能量并输入到后面的整流电路中，调整负载端耦合器的占空比可使负载侧接收到的电压为某一定值并在负载跳变时保持稳定。
42.本发明无需反馈的飞机配电系统直流稳压电路的设计方法的步骤包括：
43.1)进行各元器件选型。逆变电路的开关管选用耐高频的电力mosfet，根据逆变器开关管能承受的开关频率上限确定电感电容的参数范围；在耦合器的选择上，由于常规的矩形结构在转角处的磁场极不均匀，因此本发明采用一种新型的圆角矩形结构并用利兹线进行绕制制备成耦合线圈，同时要保证耦合线圈错位距离不超过25cm。采本发明采用由数千股细线绕制成的利兹线作为线圈材料，用于减小集肤效应。该圆角矩形结构的耦合线圈适用于第一耦合器、第二耦合器；中间的谐振补偿回路采用双极型dd线圈，可以使中间回路的两个电感l4、l5解耦。
44.2)对耦合器中的耦合电感和谐振电容进行设计时，其参数根据系统的谐振频率确定。系统的谐振频率计算公式如下式：
[0045][0046]
式中l3、c
p
为第一耦合器的电感值与电容值；l6、cs为第二耦合器的电感值与电容值。
[0047]
3)根根据图1的拓扑图搭建电路，搭建流程为：电路由直流电源输入，接入单相桥式逆变电路，逆变电路的输出频率为系统谐振频率，通过由l3、cp组成的耦合器输出到中间回路，中间回路由ld1、cd、ld2三个元件并联组成，通过ld2将电能输出到接收回路，接收回路通过由l6、cs组成的耦合器接收能量，后接单相桥式不控整流电路以及滤波电容，最后向负载供电，负载电阻通过开关管切换控制投入电路。
[0048]
本发明根据系统的谐振频率确定逆变电路开关管的开断频率，保证逆变器输出的电流可使系统工作在谐振状态下。
[0049]
4)根据上述电路结构，通过基波分量法及基尔霍夫定律对电路建模，可以得到其输出电压独立于负载变化的输出特性。具体地：
[0050]
设直流电源电压为接收回路整流桥的输入电压、电流设为输出电压、电流设为则有：
[0051]
[0052][0053]
设l3与l4之间的互感为m1，l5与l6之间的互感为m2，流过l2、l3、l4、l5的电流值分别为则有：
[0054][0055][0056][0057][0058][0059]
联立方程，可得：
[0060][0061]
本发明应用在无需反馈的飞机配电系统直流稳压电路中的耦合器最优错位范围的确定方法(即上述步骤1)中耦合线圈错位距离不超过25cm的确定方法)的内容如下：
[0062]
由于上述直流稳压电路在实际应用中，耦合线圈难以做到无偏差对准，一旦线圈出现错位将使得系统的传输性能下降，因此在设计好电路拓扑后，还需要确定耦合器的最优错位范围，方法是利用ansys maxwell对线圈在不同错位距离下的互感值进行分析，以5cm的变化量为一个单位分析错位距离在0-30cm时系统互感的变化趋势。耦合线圈模型如图2所示。
[0063]
在不同错位距离下得到的线圈互感计算结果如下表：
[0064]
偏移距离0cm5cm10cm15cm20cm25cm30cm互感/μh68.7264.0758.6552.7746.1239.2530.98
[0065]
表1
[0066]
以5cm为1个单位，计算得到线圈互感变化随错位距离的变化趋势如图3所示。
[0067]
分析可知，当线圈水平偏移的距离超过25cm以后，线圈互感值的变化幅度会有明显增加，这一方面对该电路功率及效率的传输不利，另一方面由于电源为恒压源，当线圈出现错位时耦合系数减小，中间谐振补偿回路对输入回路的反射阻抗减小，会导致输入回路电流增加，破坏系统的热稳定性，因此确定耦合线圈的最优错位范围为0-25cm。错位范围指的是互感线圈l3和l4之间的错位以及l5和l6之间的错位。水平错位示意图如图4所示。
[0068]
本发明针对上述设计内容利用simulink仿真模型对其作了进一步验证。仿真模型如图5所示。负载在0.3s处跳变，得到的负载电压(上)及电流(下)波形如图6所示。由图5的波形图可以看出：在0.3s负载跳变时，在无反馈通信电路的情况下输出电压几乎无波动，可
以稳定在28v。
[0069]
由此可见，负载的变动对输出电压无影响，证明了本发明电路的输出稳定性。
[0070]
本发明的新型稳压电路，无需复杂的控制策略及输入输出端的反馈通信且能实现负载跳变后电压立刻恢复，可有效解决上述问题。
[0071]
以上对本技术实施例所提供的一种无需反馈的飞机配电系统直流稳压电路的设计方法，进行了详细介绍。以上实施例的说明只是用于帮助理解本技术的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本技术的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本技术的限制。
[0072]
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者系统中还存在另外的相同要素。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。
[0073]
在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。