隔离且可重新配置的电力转换器的制作方法

1.本发明涉及飞行器中的机载电力系统，且特定来说涉及集成到此些电力系统中的电力转换器的结构。


背景技术：

2.为了为飞行器上的机载设备供电，使用许多电力转换器，从而允许从飞行器的高dc电压网络在低dc电压下为各个装置供电。
3.在现有技术水平下有许多类型的电力转换器可用，且相对于飞行器的网络的dc电压电平和装置的正确操作所需的电压电平以及相对于转换器的控制来挑选电力转换器。确切地说，最决定性的控制参数是开关频率、工作循环和电力桥之间的相移。然而，例如停滞时间(两个电力臂之间的开关延迟)等其它参数也可能影响控制质量。
4.通常，飞行器上的机载高电压dc网络递送约270v的标称dc电压。然而，由此网络递送的电压可能极大地变化，且因此可能比标称电压高或低10％乃至20％。可能与电网的负荷或发电的不稳定性相关的此高变化影响转换器的操作点。在转换器已经被挑选和设定尺寸以将270v的高dc电压转换为在16v和30v之间变化的低dc电压的情况下，当由机载高dc电压网络递送的电压变化时，所述转换器的操作不再是最佳的。
5.现有技术水平转换器的两个实例在图1和2中展示。
6.图1展示也被称为双有源桥(dual active bridge，dab)的隔离dc/dc转换结构的实例。
7.所述结构包括电力转换器，其特定来说包括绝缘变压器4，所述绝缘变压器能够将跨第一h桥施加的高dc电压v1转换为跨第二h桥施加的低dc电压v2。两个h桥6、8分别包括四个晶体管10a、10b、12a、12b和14a、14b、16a、16b。
8.变压器4的初级端子18a、18b连接到第一h桥6的第一10和第二12分支。确切地说，电感22布置于变压器4的初级端子中的一个18a和第一h桥6的第二分支12之间。
9.电感22(也被称为漏电感)可在变压器中的电流截止时生成过电压。
10.变压器4的次级端子20a、20b连接到第二h桥8的第一14和第二16分支。
11.电容器24、26可跨第一6和第二8h桥中的每一个布置。这些是滤波电容器，其作用是减少转换器的输入和输出电压中的波纹。电阻器为由转换结构2的输出处递送的电压v2供电的装置建模。
12.此转换结构2可用于以可在10khz到1mhz的范围内的固定频率将220v和330v之间的高电压v1转换为16v和32v之间的低电压v2(应注意，通过用电压源替换电阻器28，结构变为可逆的，v2变为输入电压且v1变为输出电压)。
13.在图2中展示的转换结构30的第二实例中，变压器4将高dc电压v1转换为低dc电压v2，所述低dc电压分别施加到h 6处的第一桥和h 8处的第二桥的端子，所述两个桥分别由四个晶体管10a、10b、12a、12b和14a、14b、16a、16b组成。
14.除漏电感22外，电感32(也被称为磁化电感)也布置于变压器4的初级端子18a、18b
之间。并且，电容器34布置于变压器4的初级端子中的一个18b和第一h桥6的第一分支10之间。
15.此转换结构30因此包括由电感22和32以及电容器34组成的谐振结构，且也称为串并联谐振转换结构llc。谐振结构提供正弦电流输出，且取决于机载网络的负荷变化以可在100khz和3000khz之间的可变频率转换。输入和输出范围对于dab结构是相同的，即，分别为在220v和330v之间以及在16v和32v之间。
16.因此，图1中示出的结构2对于在输入处在270v的标称电平下施加的高电压是最佳的(利用简单的控制)，且图2中示出的结构30对于在输入处施加的220v和330v之间的高电压是最佳的。在这些范围之外，当由飞行器的机载高电压dc网络递送的电压存在变化时，这两个转换结构2、30不能最佳地表现，且因此每一转换结构是受限的。
17.本发明旨在以简单、可靠且便宜的方式补救此些缺点。


技术实现要素：

18.本文涉及一种用于飞行器机载电力系统的电力转换系统，其能够将高dc电压转换为低dc电压且反之亦然，所述系统包括：
19.‑
至少一个第一高电压dc总线v
bus1
和至少一个第二低电压dc总线v
bus2
；
20.‑
第一h桥，其布置于第一总线的端子之间且包括第一和第二分支；
21.‑
第二h桥，其布置于第二总线的端子之间且包括第一和第二分支；
22.‑
电力转换器，其能够将高dc电压v
bus1
变换为低dc电压v
bus2
和/或反之亦然，其包括分别连接到第二h桥的第一分支和第二分支的第一和第二初级端子以及至少第一和第二次级端子；
23.‑
至少第一电感，其串联布置在第一h桥的第二分支和电力转换器的第一初级端子之间；特征在于，所述系统进一步包括：
24.‑
至少一个第一电容器，其第一端子连接到第一h桥的第一分支；
25.‑
至少一个第二电容器，其第一端子连接到电力转换器的第一初级端子；
26.‑
开关构件，其能够控制电流的断开或闭合，这些开关构件被配置成使得系统根据以下配置操作：
27.‑
第一隔离dc/dc转换器配置，其中电力转换器的第二初级端子连接到第一h桥的第一分支；
28.‑
第二隔离dc/dc转换器配置，其包括谐振电路，所述谐振电路由以下形成：
29.‑
第一电感，以及
30.‑
第一电容器，其第二端子连接到电力转换器的第二初级端子；
31.‑
第三配置，其形成包括谐振电路的隔离dc/dc转换器，所述谐振电路由以下形成：
32.‑
第一电容器，其第二端子连接到电力转换器的第二初级端子，
33.‑
第二电容器，其第二端子连接到电力转换器的第二初级端子，以及
34.‑
第一电感。
35.因此，此系统使得能够优化电力转换器的操作，从而提供至少三个操作配置。因此，取决于输入操作范围，系统经由开关构件在三个配置中的一个中操作，因此使得能够覆盖比具有固定配置的系统更宽的操作范围。
36.因此，系统可在类似于dab隔离转换结构的第一配置、类似于包括lc谐振电路的隔离转换结构的第二配置，以及类似于包括lcc谐振电路的隔离转换结构的第三配置中操作。因此，开关构件意味着，可取决于所要转换系统配置激活或不激活谐振电路。
37.利用相对简单的控制，因而有可能重新配置转换系统，从而维持电力转换系统的良好效率水平。
38.因此，当前可重新配置的转换器系统是电磁兼容(emc)的。emc应力的减小主要归因于开关频率范围的扩展。实际上，通过增加这些频率的值，将有可能减小组成emc滤波器的无源组件的大小。
39.开关构件可包括第一开关、第二开关和第三开关。
40.根据转换系统的另一特征：
41.‑
第一开关可布置于电力转换器的第一电容器和第二初级端子之间；
42.‑
第二开关可布置于第一h桥分支和电力转换器的第二初级端子之间；
43.‑
第三开关可布置于第二电容器和电力转换器的第二初级端子之间。
44.因此，通过断开和/或闭合开关，有可能重新配置转换系统以作为以下结构操作：
45.‑
dab结构，其中漏电感是结构的一部分。响应于例如相移调制等相对简单的控制，最佳操作范围限于等于270
±
5％的输入电压和等于28
±
5％的输出电压的标称点；
46.‑
隔离转换结构，其包括由电感和电容器形成的llc谐振电路。响应于相对简单的控制，此结构适于变化的负荷和电压，其中开关频率在小范围内变化。此转换器可在270
±
20％的输入电压以及16v和32v之间的输出电压下操作。
47.‑
隔离转换结构，其包括由电感和电容器形成的lcc谐振电路。响应于相对简单的控制，此结构适于负荷和电压变化，其中开关频率在宽范围内变化。此转换器可在270
±
20％的输入电压以及16v和32v之间的输出电压下操作。
48.开关构件可包括重新配置模块，其能够个别地控制第一、第二和第三开关以便将它们保持在断开和/或闭合状态中。
49.经由此重新配置模块进行的控制允许三个配置之间的中心切换。
50.确切地说，重新配置模块可控制第一、第二和第三开关使得：
51.‑
在第一配置中，第一开关保持闭合，且第二和第三开关保持断开；
52.‑
在第二配置中，第二开关保持闭合，且第一和第三开关保持断开；
53.‑
在第三配置中，第一开关保持断开，且第二和第三开关保持闭合。
54.系统可包含布置于电力转换器的初级端子之间的第二电感，使得在第二配置中，谐振电路由第一电感、第二电感和第一电容器形成，所述第一电容器的第二端子连接到电力转换器的第二初级端子。
55.因此，第二配置可在取220v和330v之间的值的输入电压范围内以减小的范围内的可变开关频率作为包括由电感和电容器形成的llc谐振电路的隔离转换器结构操作。
56.第一开关、第二开关和第三开关可包括开关和晶体管。
57.因此，例如开关和晶体管等可控开关的使用使得有可能借助于这些开关的简单控制在转换系统的三个配置之间切换。所使用的开关可以是电和/或机械的。并且，所使用的晶体管可例如是双极晶体管、绝缘栅双极晶体管、金属氧化物栅极场效应晶体管、氮化镓晶体管。
58.电容器cbus1可布置于第一h桥的第二分支的端子之间。类似地，电容器cbus2可布置于第二h桥的第二分支的端子之间。这些电容器对dc电压总线的电压波纹进行滤波。
59.第一和/或第二h桥可各自包括至少四个电力组件。第一桥的四个电力组件可以是晶体管或具有反并联的二极管的晶体管。第一桥的四个电力组件可以是二极管或晶体管。优选地，二极管仅用于第二h桥，因为第一h桥需要可控开关以在变压器输入处提供ac电压。
60.所述系统可包括第三低电压dc总线vbus3，且其中电力转换器包括分别连接到跨第三高电压dc总线vbus3布置的第三h桥的第一分支和第二分支的第三和第四次级端子。
61.所述系统可具有第一总线的端子处的220v和330v之间的操作范围。
附图说明
62.上文已经描述的[图1]展示现有技术的双有源桥(dab)类型的隔离dc/dc转换结构；
[0063]
上文已经描述的[图2]表示现有技术的第二隔离dc/dc转换结构；
[0064]
[图3]展示根据本技术的发明的转换系统。
具体实施方式
[0065]
下文参考图3，图3表示根据本发明的既定将由飞行器的机载电气网络递送的高dc电压v
bus1
转换为至少一个低dc电压v
bus2
的电力转换系统32，所述低dc电压的电平适于为例如紧急风力涡轮(已知首字母缩写为rat，表示冲压空气涡轮(ram air turbine))、电池等飞行器的各种设备供电。
[0066]
图3中展示的转换系统32能够将高dc电压v
bus1
转换为能够为各种飞行器设备供电的两个低dc电压v
bus2
和v
bus3
(不一定相同)。
[0067]
电力转换系统32还可能够反向地执行转换。在此情况下，相应地挑选系统的一些组件，如稍后将详述。
[0068]
图3中展示的电路图是根据本发明的转换系统32的简化表示。为简单起见，飞行器的机载网络由第一高电压dc总线v
bus1
表示，且两个低电压dc总线由适于为飞行器的设备供电的第二低电压dc总线v
bus2
和第三低电压dc总线v
bus3
表示。
[0069]
这三个电压总线分别跨电容器c
bus1
、c
bus2
和c
bus3
。这三个电容器是减少转换器的输入和输出处的电压变化(即，使经转换电压平稳)的滤波电容器。
[0070]
转换系统32还包括第一34、第二36和第三38h桥。这些桥34、36、38中的每一个包括第一分支40、44、48和第二分支42、46、50。第一h桥34跨电容器c
bus1
布置，第二h桥36跨电容器c
bus2
布置，且第三h桥38跨电容器c
bus3
布置。因此，跨第一h桥34的电压等于第一高电压dc总线的电压v
bus1
。同样，第二36和第三38h桥的端子处的电压分别等于均既定为车载设备供电的第二低电压dc总线的电压v
bus2
和第三低电压dc总线的电压v
bus3
。
[0071]
因为h桥的结构是技术人员已知的，所以下文给出简要描述。这些h桥中的每一个包括第一分支40、44、48和第二分支42、46、50，两个分支40、44、48和42、46、50的端部彼此成对电连接。在第一分支40、44、48和第二分支42、46、50中的每一个上布置两个开关构件40a、40b、44a、44b、48a、48b和42a、42b、46a、46b、50a、50b，其在所有分支40、44、48和42、46、50上是相同的。这些开关构件40a、40b、44a、44b、48a、48b和42a、42b、46a、46b、50a、50b可为单向
或双向的可控或非可控电力组件。优选地，第一h桥34包括单向或双向的受控电力组件，即晶体管或开关。第二36和第三38h桥可包括受控或非受控电力组件，即晶体管、二极管和开关。在转换系统能够在两个方向上转换的情况下，仅双向晶体管或开关可用于第二36和第三38h桥。
[0072]
因此，如图3中可以看出，第一34、第二36和第三38h桥的第二分支的端部分别电连接到电容器c
bus1
、c
bus2
和c
bus3
的端子。
[0073]
系统32进一步包括电力转换器52，其在此处更确切地说为变压器。变压器52据称为高频率单相的，如现有技术水平下已知，能够将来自第一桥34的高ac电压转换为来自第二桥36的低ac电压及转换为来自第三桥38的低ac电压，和/或反之亦然。变压器52包括第一54a和第二54b初级端子以及第一56a、第二56b、第三56c和第四56d次级端子。
[0074]
第一34、第二36和第三38h桥电连接到电力转换器32的初级端子54a、54b和次级端子56a、56b、56c、56d。
[0075]
如图3中可以看出，第一次级端子56a电连接到第二h桥36的第一分支44，特定来说电连接到两个电力组件44a和44b。类似地，第二次级端子56b电连接到第二h桥36的第二分支46，特定来说电连接到两个电力组件46a和46b。
[0076]
第三次级端子56c电连接到第三h桥38的第一分支48，特定来说电连接到两个电力组件48a和48b。类似地，第四次级端子56d电连接到第三h桥38的第二分支50，特定来说电连接到两个电力组件50a和50b。
[0077]
最后，第一初级端子54a间接且电连接到第一h桥34的第二分支42，特定来说间接且电连接到两个电力组件42a和42b。类似地，第二初级端子54b间接且电连接到第一h桥34的第一分支40，特定来说间接且电连接到两个电力组件40a和40b。
[0078]
组件布置于第二分支42和第一初级端子54a之间，以及第一分支40和第二初级端子54b之间。
[0079]
第一电感l1串联布置在第一h桥34的第二分支42和电力转换器52的第一初级端子54a之间。此第一电感l1可在高频变压器相应地设定大小和优化的情况下被变压器漏电感代替，变压器漏电感是限制变压器的经转换电力的变压器故障。
[0080]
第二电感l2布置于电力转换器52的初级端子54a、54b之间。此第二电感l2可在高频变压器52相应地设定大小和优化的情况下被变压器的磁化电感代替，变压器的磁化电感是变压器的初级绕组的自电感。
[0081]
第一电容器c1的第一端子连接到第一h桥34的第一分支40，且其第二端子可经由第一开关k1连接到电力转换器52的第二初级端子54b。因此，第一开关k1布置于第一电容器c1和电力转换器52的第二初级端子54b之间。
[0082]
第二电容器c2的第一端子连接到电力转换器52的第一初级端子54a，且其第二端子可经由第三开关k3连接到电力转换器52的第二初级端子54b。因此，第三开关k3布置于第二电容器c2和电力转换器52的第二初级端子54b之间。
[0083]
第二开关布置于第一h桥34的第一分支40和电力转换器52的第二初级端子54b之间。
[0084]
三个开关k1、k2和k3是电或机械开关和/或可控晶体管，其部分形成能够控制电流的断开或闭合的开关构件。确切地说，开关构件包括重新配置模块，其能够个别地控制开关
k1、k2和k3以便将它们保持在断开和/或闭合状态中。
[0085]
因此，开关k1、k2和k3被布置成允许系统在三个配置中操作。
[0086]
转换系统32配置于第一配置中，此时，重新配置模块控制第一开关k1保持其闭合，且控制第二k2和第三k3开关保持其断开。在第一配置中，转换器系统32形成隔离双有源桥dc/dc转换器。在此配置中，电力转换器52的第二初级端子54b直接连接到第一h桥34的第一分支40。利用简单的控制，此配置尤其适于接近270v的标称电压的电压v
bus1
，围绕此值存在约5％的变化。
[0087]
转换系统32配置于第二配置中，此时，重新配置模块控制第二开关k2保持其闭合，且第一k1和第三k3开关保持其断开。在此第二配置中，转换器系统32形成具有谐振电路的隔离dc/dc转换器，所述谐振电路由以下形成：
[0088]
‑
第一电感l1，
[0089]
‑
第二电感l2，以及
[0090]
‑
第一电容器c1，其第二端子连接到电力转换器的第二初级端子。
[0091]
由l1、l2和c1形成的llc谐振电路使转换器系统32尤其适于[220v；330v]范围内的电压v
bus1
，其中所需小开关频率范围在fmin和三乘以fmin之间(50khz<fmin<500khz)，且具有连续或不连续传导模式中的操作。
[0092]
转换系统32配置于第三配置中，此时，重新配置模块控制第一开关k1保持其断开，且第二k2和第三k3开关保持其闭合。在此第三配置中，转换器系统32形成具有谐振电路的隔离dc/dc转换器，所述谐振电路由以下形成：
[0093]
‑
第一电容器c1，其第二端子连接到电力转换器的第二初级端子，
[0094]
‑
第二电容器c2，其第二端子连接到电力转换器的第二初级端子，以及
[0095]
‑
第一电感l1。
[0096]
由l1、c1和c2形成的llc谐振电路使转换器系统尤其适于[220v；330v]范围内的电压v
bus1
，其具有所需宽开关频率范围和仅不连续传导模式中的操作，即开关频率在50khz和3mhz之间。
[0097]
表1概述三个配置中的每一个中开关k1、k2、k3的状态：[表1]
[0098][0099]
因此，取决于由飞行器的机载网络递送的电压v
bus1
的变化，重新配置模块控制开关以便根据适于电压v
bus1
的配置确保转换系统32的操作。
[0100]
利用即使当配置改变时也持续的结构的简单控制(例如，相移控制)，最佳操作的开关条件如下：
[0101]
‑
标称操作点(输入电压等于270v且输出电压等于28v)：dab中的配置1。
[0102]
‑
不同于标称的操作点，具有宽频率范围的不连续传导：lcc中的配置3。
[0103]
‑
不同于标称的操作点，具有减小的频率范围的连续传导：llc中的配置2。