具有升压能力的复合ac至dc功率转换器的制造方法
【专利摘要】本发明涉及具有升压能力的复合AC至DC功率转换器。升压AC至DC转换器可以包括主整流器、第一和第二辅助整流器、以及自耦变压器。自耦变压器可以包括多个绕组组装件，每个具有连接到AC功率源的初级端、连接到主整流器的主次级端、连接到第一辅助整流器的第一辅助次级端、以及连接到第二辅助整流器的第二辅助次级端。每个绕组组装件的初级端与主整流器之间的阻抗小于每个绕组组装件的初级端与第一辅助整流器或第二辅助整流器任一之间的阻抗。每个第一绕组组装件的初级端与第一辅助整流器之间的阻抗不同于每个绕组组装件的初级端与第二辅助整流器之间的阻抗。
【专利说明】具有升压能力的复合AC至DC功率转换器
【技术领域】
[0001] 本发明大体上涉及AC至DC转换器，并且更特别地涉及具有升压能力的无源AC至 DC转换器。
【背景技术】
[0002] AC至DC转换器在现代航天/军事产业中扮演着重要角色。特别在用于飞行器和 宇宙飞船的更加电气化的架构（MEA)的领域中更是如此。功率质量对于MEA飞行器是主要 的关注，这是因为安装在同一总线上的大量的电功率系统和设备。这些系统和设备的功率 质量具有确保所有的电源/用电设备一起合适地起作用的迫切需要。
[0003] 术语"复合AC至DC转换器"被创造以区别并行使用两种或更多转换方法的转换 器。针对复合AC至DC转换器的概念源于向更小尺寸、更轻重量和更高效率的进一步改进。
[0004] 虽然复合AC至DC转换器呈现向性能改进的一大步，但其未包含高效的升压能力。 它们通常提供三相115-Vac系统的整流，从而导致270Vdc的典型输出电压值。存在其中输 出电压为了连续功率调节的更好性能而被期望成高得多的应用。在一些配电系统中使用的 典型值为540Vdc、+/-270Vdc和610Vdc。这意味着将期望用于三相115-Vac系统中的复合 AC至DC转换器，以产生约为其整流输出两倍高的输出电压。换而言之，将期望成在复合AC 至DC转换器中提供升压能力。
[0005] 将期望成实现此类无源升压，同时仅将最小谐波失真引入到输入AC电流。通常， 可以通过采用具有高脉冲配置的AC至DC转换器来降低更低频率谐波失真。例如，当利用 24脉冲转换器来执行三相AC功率的转换时，输入功率的谐波失真可以被维持在合理低的 水平处。当然，24脉冲转换器必须具有比12脉冲或18脉冲转换器更高数量的变压器绕组 (winding)。因此，24脉冲转换器通常比12脉冲或18脉冲转换器更重、更大和更昂贵。此 类尺寸和重量可以通过考虑表达式W/VA而客观地评价：其中W是以瓦特的DC功率；并且 VA是变压器以伏特-安培表达的额定值。对于具有1 : 2升压能力的典型18脉冲转换器 而言，W/VA可以为约0. 5。
[0006] 此外，将期望成与基于有源半导体的升压电路相比，采用自耦变压器来实现无源 升压。在航天应用的上下文中，无源系统的固有可靠性与有源系统相比是重要的考虑。
[0007] 在复合AC至DC转换器的自耦变压器内，内部的绕组匝数比负责其升压因数。然 而，当被用于升压时，典型的自耦变压器的转换比（ACR)将开始降低。升压拓扑中的降低 ACR的主要原因可以视为随着自耦变压器绕组伏特*安培（VA)之和上升，自耦变压器输出 功率保持恒定。在宇航飞行器中的自耦变压器中高ACR是期望的，因为此类自耦变压器可 以被构造有比具有低ACR的自耦变压器更小的绕组和有更轻重量。
[0008] 如可以看出的，存在针对具有升压能力的无源复合AC至DC转换器的需要。更特 别地，存在针对可以利用自耦变压器无源地产生升压的此类转换器的需要，所述自耦变压 器可以以高ACR以及输入电压的最小谐波失真来操作。
【发明内容】
[0009] 在本发明的一个方面中，多相AC至DC转换器可以包括：主整流器；第一辅助整流 器；第二辅助整流器；以及与主整流器、第一辅助整流器和第二辅助整流器耦合的自耦变 压器，该自耦变压器包括：第一绕组组装件，其包括：与AC功率源耦合的初级端、与主整流 器耦合的主次级端、与第一辅助整流器耦合的第一辅助次级端、以及与第二辅助整流器耦 合的第二辅助次级端，其中初级端与主次级端之间的运算阻抗小于初级端与第一辅助次级 端或第二辅助次级端任一之间的运算阻抗，并且其中初级端与第一辅助次级端之间的运算 阻抗不同于初级端与第二辅助次级端之间的运算阻抗；第二绕组组装件，其包括：与AC功 率源耦合的初级端、与主整流器耦合的主次级端、与第一辅助整流器耦合的第一辅助次级 端、以及与第二辅助整流器耦合的第二辅助次级端，其中初级端与主次级端之间的运算阻 抗小于初级端与第一辅助次级端或第二辅助次级端任一之间的运算阻抗，并且其中初级端 与第一辅助次级端之间的运算阻抗不同于初级端与第二辅助次级端之间的运算阻抗；以及 第三绕组组装件，其包括：与AC功率源耦合的初级端、与主整流器耦合的主次级端、与第一 辅助整流器耦合的第一辅助次级端、以及与第二辅助整流器耦合的第二辅助次级端，其中 初级端与主次级端之间的运算阻抗小于第三绕组组装件的初级端与第一辅助次级端或第 二辅助次级端任一之间的运算阻抗，并且其中初级端与第一辅助次级端之间的运算阻抗不 同于初级端与第二辅助次级端之间的运算阻抗。
[0010] 在本发明的另一方面中，用于在AC至DC转换器中使用的自耦变压器可以包括：第 一绕组组装件，其包括多个绕组段和至少一个抽头；第二绕组组装件，其包括多个绕组段和 至少一个抽头；第三绕组组装件，其包括多个绕组段和至少一个抽头；其中第一绕组组装 件的至少一个绕组段与第二绕组组装件的至少一个抽头耦合，其中第二绕组组装件的至少 一个绕组段与第三绕组组装件的至少一个抽头耦合，并且其中第三绕组组装件的至少一个 绕组段与第一绕组组装件的至少一个抽头耦合。
[0011] 本发明的这些和其它特征、方面和优点将参考以下附图、说明书和权利要求而变 得更好理解。
【专利附图】
【附图说明】
[0012] 图1是根据本发明的实施例的AC至DC功率转换器的示意图；
[0013] 图2是根据本发明的实施例的图1的转换器的自耦变压器的向量格式示意图；
[0014] 图3是根据本发明的实施例的图1的转换器的自耦变压器的常规示意图；
[0015] 图4是根据本发明的第二实施例的AC至DC功率转换器的示意图；
[0016] 图5是根据本发明的第三实施例的AC至DC功率转换器的示意图。
【具体实施方式】
[0017] 下面的【具体实施方式】具有执行本发明的示例性实施例的当前最佳预期模式。描述 不应在限制意义上采取，而是仅为了说明本发明的一般原理的目的而进行，原因在于本发 明的范围由所附权利要求而最佳限定。
[0018] 在下面描述了各种发明特征，每个均可以独立于彼此或者与其它特征结合使用。
[0019] 概括地说，本发明的实施例通常提供具有升压能力的无源复合AC至DC转换器。更 特别地，此类转换器可以利用自耦变压器来无源地产生升压，所述自耦变压器以高ACR操 作。此外，在施加到主整流器的功率和施加到辅助整流器的功率之间可以发生相移。此类 转换器可以仅产生输入AC电流和电压的最小低频谐波失真。
[0020] 现在参考图1，可以看出示例性AC至DC转换器100可以包括自耦变压器120、主 整流器140、以及辅助整流器160和180。在图1中，转换器100被示出为在3相电源200 和DC负载220之间互连。主整流器140与辅助整流器160和180可以是常规的6脉冲整 流器。
[0021] 自耦变压器120可以在初级端202、204和206处连接到电源200。主整流器140可 以在次级端142U44和146处连接到自耦变压器120。辅助整流器160可以在次级端162、 164和166处连接到自耦变压器120。辅助整流器180可以在次级端182、184和186处连 接到自耦变压器120。
[0022] 现在参考图2和3,示出了自耦变压器120的示例性实施例中的互连的详细说明。 自耦变压器120可以被构造有一般性地指定为X、Y和Z的三个绕组组装件。绕组组装件X 可以被缠绕成包括指定为XA、XB、XC、XD、ΧΕ和XF的六个顺序的绕组段。绕组组装件Υ可 以被缠绕包括指定为YA、YB、YC、YD、ΥΕ和YF的六个顺序的绕组段。绕组组装件Ζ可以包 括指定为ZA、ZB、ZC、ZD、ΖΕ和ZF的六个顺序的绕组段。
[0023] 特别参考图3,绕组段ΧΑ可以在指定为XI的点处被连接到端子142。绕组段ΧΑ 和ΧΒ可以在点Χ2和Χ3处被连接在一起。抽头121可以被置于点Χ2和Χ3之间。绕组段 ΧΒ和XC可以在点Χ4和Χ5处被连接在一起。抽头122可以被置于点Χ4和Χ5之间。绕组 段XC和XD可以在点Χ6和Χ7处被连接在一起。抽头123可以被置于点Χ6和Χ7之间。
[0024] 绕组段ΥΑ可以在指定为Υ1的点处被连接到端子144。绕组段ΥΑ和ΥΒ可以在点 Υ2和Υ3处被连接在一起。抽头124可以被置于点Υ2和Υ3之间。绕组段ΥΒ和YC可以在 点Υ4和Υ5处被连接在一起。抽头125可以被置于点Υ4和Υ5之间。绕组段YC和YD可以 在点Υ6和Υ7处被连接在一起。抽头126可以被置于点Υ6和Υ7之间。
[0025] 绕组段ΖΑ可以在指定为Ζ1的点处被连接到端子146。绕组段ΖΑ和ΖΒ可以在点 Ζ2和Ζ3处被连接在一起。抽头127可以被置于点Ζ2和Ζ3之间。绕组段ZS和ZC可以在 点Ζ4和Ζ5处被连接在一起。抽头128可以被置于点Ζ4和Ζ5之间。绕组段ZC和ZD可以 在点Ζ6和Ζ7处被连接在一起。抽头129可以被置于点Ζ6和Ζ7之间。
[0026] 绕组组装件X可以通过点Χ8和抽头124之间的互连以及也通过点Χ9和抽头125 之间的互连与绕组组装件Υ互连。绕组组装件Υ可以通过点Υ8和抽头127之间的互连以 及也通过点Υ9和抽头128之间的互连与绕组组装件Ζ互连。绕组组装件Ζ可以通过点Ζ8 和抽头121之间的互连以及也通过点Ζ9和抽头122之间的互连与绕组组装件X互连。
[0027] 绕组段ΧΕ可以在点Χ10处被连接到次级端186。在该方面中，绕组段ΧΕ可以被 置于次级端186和绕组组装件Υ之间。类似地，绕组段ΥΕ可以在点Υ10处被连接到次级端 184。在该方面中，绕组段ΥΕ可以被置于次级端186和绕组组装件Ζ之间。同样，绕组段ΥΕ 可以在点Υ10处被连接到次级端182。在该方面中，绕组段ΥΕ可以被置于次级端182和绕 组组装件X之间。
[0028] 绕组段XF可以在点XII处被连接到次级端162,并且在点Χ12处被连接到抽头 129。在该方面中，绕组段XF可以被置于次级端162和绕组组装件Ζ之间。类似地，绕组段 YF可以在点Y11处被连接到次级端166,并且在点Y12处被连接到抽头123。在该方面中， 绕组段YF可以被置于次级端166和绕组组装件X之间。同样，绕组段ZF可以在点Z10处 被连接到次级端164,并且在点Z12处被连接到抽头126。在该方面中，绕组段ZF可以被置 于次级端164和绕组组装件Y之间。
[0029] 现在特别参考图2,采用与向量分析视点一致的格式来示出各绕组组装件X、Y和 Z。在该方面中，可以由绕组段中的一些形成中央等腰三角形130。三角形130的第一边132 可以包括绕组组装件X的绕组段XB、XC和XD。三角形130的第二边134可以包括绕组组 装件Y的绕组段YB、YC和YD。三角形的第三边136可以包括绕组组装件Z的绕组段ZB、ZC 和ZD。
[0030] 绕组段的绕组匝数比可以通过考虑三条三角形边132U34和136中的每条具有单 位长度而被量化。在此类规范化的上下文中，绕组段可以具有与下表1 一致的绕组匝数比。
[0031] 表 1
[0032]
【权利要求】
1. 多相AC至DC转换器（100)，包括： 主整流器（140); 第一辅助整流器（160); 第二辅助整流器（180);以及 与主整流器、第一辅助整流器和第二辅助整流器耦合的自耦变压器（120)， 所述自耦变压器包括： 第一绕组组装件（X)，包括： 与AC功率源（200)耦合的初级端（202)， 与主整流器（140)耦合的主次级端（142)， 与第一辅助整流器（160)耦合的第一辅助次级端（162)，以及 与第二辅助整流器（180)耦合的第二辅助次级端（186)， 其中初级端与主次级端之间的运算阻抗小于初级端与第一辅助次级端或第二辅助次 级端任一之间的运算阻抗，并且 其中初级端与第一辅助次级端之间的运算阻抗不同于初级端与第二辅助次级端之间 的运算阻抗； 第二绕组组装件（Y)，包括： 与所述AC功率源耦合的初级端（204)， 与所述主整流器耦合的主次级端（144)， 与所述第一辅助整流器耦合的第一辅助次级端（166)，以及 与所述第二辅助整流器耦合的第二辅助次级端（184)， 其中初级端与主次级端之间的运算阻抗小于初级端与第一辅助次级端或第二辅助次 级端任一之间的运算阻抗，并且 其中初级端与第一辅助次级端之间的运算阻抗不同于初级端与第二辅助次级端之间 的运算阻抗；以及 第三绕组组装件（Z)，包括： 与所述AC功率源耦合的初级端（206)， 与所述主整流器耦合的主次级端（146)， 与所述第一辅助整流器耦合的第一辅助次级端（164)，以及 与所述第二辅助整流器耦合的第二辅助次级端（182)， 其中初级端与主次级端之间的运算阻抗小于所述第三绕组组装件的初级端与第一辅 助次级端或第二辅助次级端任一之间的运算阻抗，并且 其中初级端与第一辅助次级端之间的运算阻抗不同于初级端与第二辅助次级端之间 的运算阻抗。
2. 如权利要求1所述的转换器，其中所述绕组组装件（X、Y、Z)的一个或多个包括六 个顺序缠绕的绕组段（XA、XB、XC、XD、XE、XF、YA、YB、YC、YD、YE、YE、YF、ZA、ZB、ZC、ZD、ZE、 ZF)。
3. 如权利要求2所述的转换器，其中所述绕组组装件（X、Y、Z)的一个或多个被提供有 来自另一个绕组组装件的绕组段耦合到其上的至少一个抽头（121、122、123、124、125、126、 127、128、129)。
4. 如权利要求2所述的转换器，其中所述绕组组装件的每一个被提供有来自其他绕组 组装件的绕组段耦合到其上的至少两个抽头（121、122、123、124、125、126、127、128、129)。
5. 如权利要求2所述的转换器，其中第一绕组组装件⑴的绕组段之一（XE)被置于辅 助整流器之一（180)与第二绕组组装件（Y)之间。
6. 如权利要求5所述的转换器，其中 第二绕组组装件（Y)的绕组段之一（YF)被置于辅助整流器之一（160)与第一绕组组 装件⑴之间，并且 第三绕组组装件（Z)的绕组段之一（ZF)被置于辅助整流器之一（160)与第二绕组组 装件⑴之间。
7. 如权利要求1所述的转换器，其中绕组组装件（X、Y、Z)的每个被提供有位于其末端 的次级端（142、144、146)。
【文档编号】H02M7/04GK104283440SQ201410399646
【公开日】2015年1月14日 申请日期:2014年7月9日 优先权日:2013年7月10日
【发明者】E·贾内夫, W·沃尔, 陈可民 申请人:霍尼韦尔国际公司