用于电空气动力推进的轻量化高压电源及其设计方法

1.本发明属于电力电子技术领域，尤其涉及一种用于电空气动力推进的轻量化高压电源及其设计方法。


背景技术：

2.电空气动力推进方式是一种新型推进方式，推进方式不同于传统机械运动产生推力，推力来源于高电压电离空气产生的“离子风”，同时使用推进方式的飞行器所具有的轻量化的特点，因此得到了广大学者关注。
3.电空气动力推进方式依靠一台高功率密度、小型化的高压电源，目前已有的高压电源方案功率密度低、体积大，无法满足电空气动力推进方式飞行器的应用。
4.传统lcc高压电源的变压器为初级绕组少、次级绕组多的大匝比，初级绕组匝数少导致初级漏感值无法完全实现谐振电感的磁集成，需在变压器外部串联额外电感加以补充，这增加了变换器重量；高压变压器次级匝数多、输出电压高，传统的绝缘方式需要大量绝缘材料，导致变压器窗口面积利用率低、变压器磁芯体积增大，又增加了变换器重量。
5.传统高压电源中，采用全桥整流和输出电容作为整流滤波输出，全桥整流电路需更高升压比的变压器，进一步增加了变压器绝缘材料、磁芯重量，同时输出电容体积大，不利于变换器的高功率密度设计。


技术实现要素：

6.本发明实施例提供了一种用于电空气动力推进的轻量化高压电源，旨在解决现有的高压电源需要大量的绝缘材料的问题。
7.本发明实施例提供了一种用于电空气动力推进的轻量化高压电源，所述高压电源包括：输入电压端、全桥逆变金属-氧化物半导体场效应晶体管、谐振电容、磁集成式变压器组、多个倍感整流器、打弧抑制电阻、前馈式恒功率反馈控制电路、电流互感器、过流保护电路、负载和驱动电路；
8.所述输入电压端与所述全桥逆变金属-氧化物半导体场效应晶体管连接；
9.所述全桥逆变金属-氧化物半导体场效应晶体管有两路输出电路，一路输出电路与所述谐振电容的一端连接，另一路输出与所述电流互感器的一端连接；
10.所述谐振电容的另一端和所述电流互感器的另一端均与所述磁集成式变压器组的输入端连接；
11.所述磁集成式变压器组的输出端与多个所述倍感整流器连接；
12.多个所述倍感整流器组成倍感整流器组，所述倍感整流器组的一端与负载的一端连接，另一端与所述打弧抑制电阻的一端连接；
13.所述打弧抑制电阻的另一端与所述负载的另一端连接；
14.所述驱动电路分别与所述全桥逆变金属-氧化物半导体场效应晶体管、所述前馈式恒功率反馈控制电路和所述过流保护电路连接；
15.所述电流互感器采集谐振腔电流，触发过流保护时，所述驱动电路起动实现打弧抑制；所述打弧抑制电阻通过分压将所述负载消弧。
16.优选地，所述全桥逆变金属-氧化物半导体场效应晶体管具体包括：
17.第一开关管s1、第二开关管s2、第三开关管s3和第四开关管s4；
18.以所述第一开关管s1与所述第三开关管s3的中点为a，所述第二开关管s2与所述第四开关管s4中点为b；
19.所述谐振电容和所述磁集成式变压器组串联后连接于a、b两点间。
20.优选地，所述磁集成式变压器组包括多个变压器，每个所述变压器对应一个所述倍感整流器；
21.多个所述变压器的初级为并联，次级连接所述倍感整流器，多个所述倍感整流器串联输出，输出端包括第一输出端a和第二输出端b；
22.多个所述变压器均采用磁集成技术集成；
23.所述磁集成式变压器组还包括：并联电容c
p
和串联电感lr；
24.所述谐振电容、所述串联电感lr与所述并联电容c
p
串联连接；
25.多个所述变压器的初级均与所述并联电容c
p
并联连接。
26.优选地，所述打弧抑制电阻采用功率电阻，所述打弧抑制电阻串联于所述第二输出端b；
27.所述打弧抑制电阻、所述过流保护电路和所述电流互感器构成打弧抑制电路。
28.优选地，所述磁集成式变压器组和所述倍感整流器采用可凝固型绝缘胶除灌封绝缘。
29.优选地，所述轻量化高压电源满足下列至少一个条件：
30.所述谐振电容采用cbb电容；
31.所述负载为高压电极；
32.所述并联电容与谐振电容比取值范围为0.4～0.8；
33.所述前馈式恒功率反馈控制电路的控制方式为恒定占空比调节频率控制。
34.优选地，变压器组中的变压器个数m为：
[0035][0036]
其中po为输出功率，m为高压电源总质量，k为设计变压器组质量占比，m
t
为单个变压器质量，p
t
为单个变压器额定功率；
[0037]
p
t
＝βf
racae
；
[0038]
其中，β为常数全桥为4.48，fr为谐振频率，ac为窗口面积，ae为磁芯截面积。
[0039]
本发明还提出一种轻量化高压电源设计方法，应用上述任一项所述的高压电源，所述方法包括如下步骤：
[0040]
根据高压电源设计参数，确定lcc变换器的谐振频率、谐振电容、并联电容和谐振电感参数；
[0041]
设计磁集成的变压器中参数；
[0042]
设计打弧抑制电路，以实现负载电极的消弧。
[0043]
优选地，所述根据高压电源设计参数，确定lcc变换器的谐振频率、谐振电容、并联
电容和谐振电感参数的步骤，包括：
[0044]
根据给定的lcc变换器最大允许温升，查找发热器件热阻，以确定lcc变换器的谐振频率；
[0045]
根据变换器设计参数和选定的所述谐振频率，设计lcc变换器的谐振电容、并联电容和谐振电感参数。
[0046]
优选地，所述设计磁集成的变压器中参数的步骤，包括：
[0047]
根据lcc变换器所需要的谐振电感设计磁分流器厚度；
[0048]
根据lcc变换器所需要的并联电容，设计变压器次级绕组层数。
[0049]
本发明所达到的有益效果：一种用于电空气动力推进的轻量化高压电源包括：输入电压端、全桥逆变金属-氧化物半导体场效应晶体管、谐振电容、磁集成式变压器组、多个倍感整流器、打弧抑制电阻、前馈式恒功率反馈控制电路、电流互感器、过流保护电路、负载和驱动电路。本发明主电路采用全桥逆变-磁集成变压器组-倍压整流器输出的结构，无需额外添加谐振电感、并联电容和输出电容，实现了电空气动力推进飞行器轻量化要求，减小了高压电源在电空气动力推进飞行器中的重量比；控制上使用前馈式恒功率控制和打弧抑制电路，保障高压电源在轻量化、高功率密度条件下的稳定运行，最终实现电空气动力推进式飞行器整体的轻量化、高可靠性。
附图说明
[0050]
图1是本发明实施例提供的一种用于电空气动力推进的轻量化高压电源的电路原理图；
[0051]
图2是本发明实施例提供的一种用于电空气动力推进的轻量化高压电源中的变压器的结构示意图；
[0052]
图3是本发明实施例提供的一种用于电空气动力推进的轻量化高压电源的中的变压器结构尺寸示意图；
[0053]
图4是本发明实施例提供的一种用于电空气动力推进的轻量化高压电源的中的变压器截面结构尺寸示意图
[0054]
图5是本发明实施例提供的一种用于电空气动力推进的轻量化高压电源的磁集成式变压器组的尺寸关系示意图；
[0055]
图6为本发明实施例提供的一种用于电空气动力推进的轻量化高压电源的轻量化高压电源磁集成变压器等效电路图；
[0056]
图7为本发明实施例提供的一种用于电空气动力推进的轻量化高压电源的过流保护电路的原理图；
[0057]
图8为本发明实施例提供的一种用于电空气动力推进的轻量化高压电源的驱动电路的原理图。
[0058]
附图标记：全桥逆变金属-氧化物半导体场效应晶体管1、谐振电容2、磁集成式变压器组3、倍感整流器4、打弧抑制电阻5、前馈式恒功率反馈控制电路6、电流互感器7、过流保护电路8、可凝固型绝缘胶9、负载和驱动电路。
具体实施方式
[0059]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0060]
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本技术的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本技术的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本技术。
[0061]
需要说明的是，当一个元件被认为是“连接”另一个元件时，它可以是直接连接到另一个元件，或者通过居中元件连接另一个元件。以下实施例中的“连接”，如果被连接的电路、模块、单元等相互之间具有电信号或数据的传递，则应理解为“电连接”、“通信连接”等。
[0062]
在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也可以包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应当理解的是，术语“包括/包含”或“具有”等指定所陈述的特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的存在，但是不排除存在或添加一个或更多个其他特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的可能性。同时，在本说明书中使用的术语包括相关所列项目的任何及所有组合。
[0063]
本发明的目的是提供一种用于电空气动力推进的轻量化高压电源，旨在实现高压电源的轻量化、高功率密度；为实现上述目的，所采取的手段为：主电路采用全桥逆变—磁集成变压器组—倍压整流输出的结构；绝缘材料使用重量更轻的可凝固型绝缘胶，并以灌封方式进行绝缘；控制上使用前馈式恒功率控制和打弧抑制电路。
[0064]
如图1所示，一种用于电空气动力推进的轻量化高压电源包括：输入电压端、全桥逆变金属-氧化物半导体场效应晶体管1、谐振电容2、磁集成式变压器组3、多个倍感整流器4、打弧抑制电阻5、前馈式恒功率反馈控制电路6、电流互感器7、过流保护电路8、负载和驱动电路；谐振电容2采用cbb电容；负载为高压电极。过流保护电路8的结构如图6所示。
[0065]
输入电压端与全桥逆变金属-氧化物半导体场效应晶体管1连接。
[0066]
全桥逆变金属-氧化物半导体场效应晶体管1有两路输出电路，一路输出电路与谐振电容2的一端连接，另一路输出与电流互感器7的一端连接。
[0067]
谐振电容2的另一端和电流互感器7的另一端均与磁集成式变压器组3的输入端连接。
[0068]
磁集成式变压器组3的输出端与多个倍感整流器4连接。
[0069]
多个倍感整流器4组成倍感整流器组，倍感整流器组的一端与负载的一端连接，另一端与打弧抑制电阻5的一端连接；打弧抑制电阻5的另一端与负载的另一端连接。
[0070]
打弧抑制电阻5串联于第二输出端b；打弧抑制电阻5采用功率电阻，打弧抑制电阻5、过流保护电路8和电流互感器7构成打弧抑制电路。
[0071]
输出端b分别与过流保护电路8和电流互感器7连接。
[0072]
驱动电路分别与全桥逆变金属-氧化物半导体场效应晶体管1、前馈式恒功率反馈控制电路6和过流保护电路8连接；
[0073]
电流互感器7采集谐振腔电流，触发过流保护时，驱动电路起动实现打弧抑制；打弧抑制电阻5通过分压将所述负载消弧。
[0074]
如图1所示，全桥逆变金属-氧化物半导体场效应晶体管1具体包括：
[0075]
第一开关管s1、第二开关管s2、第三开关管s3和第四开关管s4；
[0076]
以第一开关管s1与第三开关管s3的中点为a，第二开关管s2与第四开关管s4中点为b；
[0077]
谐振电容2和磁集成式变压器组3串联后连接于a、b两点间。
[0078]
如图6所示，磁集成式变压器组3包括多个变压器，每个变压器对应一个倍感整流器4；
[0079]
多个变压器的初级为并联，次级连接倍感整流器4，多个倍感整流器4串联输出，输出端包括第一输出端a和第二输出端b；
[0080]
多个变压器均采用磁集成技术集成；所述磁集成式变压器组还包括：并联电容c
p
和串联电感lr；谐振电容2、串联电感lr与并联电容c
p
串联连接；多个变压器的初级均与并联电容c
p
并联连接。
[0081]
如图2-图5所示，磁集成式变压器组和所述倍感整流器采用可凝固型绝缘胶9除灌封绝缘。
[0082]
如图8所示，驱动电路控制全桥逆变金属-氧化物半导体场效应晶体管1的工作频率。前馈式恒功率反馈控制电路6的控制方式为恒定占空比调节频率控制。并联电容c
p
与谐振电容2的比取值范围为0.4～0.8。
[0083]
变压器组中的变压器的个数m为：
[0084][0085]
其中po为输出功率，m为高压电源总质量，k为设计变压器组质量占比，m
t
为单个变压器质量，p
t
为单个变压器额定功率；
[0086]
p
t
＝βf
racae
；
[0087]
其中，β为常数全桥为4.48，fr为谐振频率，ac为窗口面积，ae为磁芯截面积。
[0088]
本发明还提供一种轻量化高压电源的设计方案，包括如下步骤：
[0089]
步骤s10，根据高压电源设计参数确定lcc变换器的谐振频率、谐振电容、并联电容和谐振电感参数。由于温升与频率为正相关，故选择上述频率中最小频率为谐振频率。
[0090]
步骤s20，设计磁集成的变压器中参数；
[0091]
步骤s30，设计打弧抑制电路，以实现负载电极的消弧。
[0092]
其中，步骤s10包括如下步骤：
[0093]
步骤s11，根据给定的lcc变换器最大允许温升，查找发热器件热阻，以确定lcc变换器的谐振频率；
[0094]
步骤s12，根据变换器设计参数和选定的所述谐振频率，设计lcc变换器的谐振电容、并联电容和谐振电感参数。
[0095]
步骤s11具体包括如下步骤：
[0096]
a、计算倍压整流部分在最大允许设计温升条件下的最大频率为：
[0097][0098]
其中io为变换器输出电流、t
on
为导通时间、f
switch
为开关频率、r
d_on
为二极管导通
电阻、δt
max
为最大允许设计温升、r
t_d
为二极管热阻。
[0099]
b、计算变压器部分在最大允许设计温升条件下的最大频率为：
[0100][0101]
其中vo为变换器输出电流、td为死区时间、f
switch
为开关频率、n
p
为变压器初级匝数、n为变压器匝比、ae为变压器有效截面积、ve为变压器有效体积、kc和α为变压器磁芯参数(由数据手册给出)、r
t_t
为变压器磁芯热阻。
[0102]
c、计算逆变部分在最大允许设计温升条件下的最大频率为：
[0103][0104]
其中，
[0105]
其中r
mos_on
为mos管导通内阻，ro为变换器所带负载、f
on
为导通频率、r
t_mos
为开关管热阻。
[0106]
温升与频率为正相关，故选择上述频率中最小频率为谐振频率。
[0107]fr
＝min(f
switchd_max
,f
switcht_max
,f
switchi_max
)。
[0108]
步骤s12具体包括如下步骤：
[0109]
如图7所示，并联电容c
p
和串联电容cr计算为：
[0110][0111]cr
＝c
ncp
；
[0112]
其中n为变压器匝比，u
in_min
为最小输入电压，io为lcc变换器输出电流，cn为并联电容c
p
与谐振电容cr比，该值在0.4～0.6之间。
[0113]
串联电感lr计算为:
[0114][0115]
步骤s20包括如下步骤：
[0116]
步骤s21，根据lcc变换器所需要的谐振电感设计磁分流器厚度；
[0117]
步骤s22，根据lcc变换器所需要的并联电容，设计变压器次级绕组层数。
[0118]
其中，步骤s21具体包括：
[0119]
根据lcc变换器所需谐振电感设计磁分流器厚度为：
[0120][0121]
其中lr为lcc变换器所需谐振电感，m为变压器个数，其中涉及的a、b、c、d、e、m和f为：
[0122]
a＝r
c2
+0.5(r
c1
+r5+r6)+r7+r
cc
；
[0123][0124][0125][0126][0127][0128][0129]
以上公式所述的磁阻r
c1
、r
c2
、r5、r6、r7、r
cc
和p
t
为：
[0130][0131][0132][0133][0134][0135][0136]
p
t
＝βf
racae
；
[0137]
其中，ac为变压器磁柱面积，μi为磁芯相对导磁率，μs为磁分流器环形磁芯相对导磁率，μ0为空气导磁率，l
g1
为第一气隙宽度，l
g2
为第二气隙宽度，l
c2
为磁芯边柱至磁芯中柱的距离，bw为磁芯窗口宽度，bd为磁芯边柱厚度，wc为磁芯厚度，l
c1
为磁芯边柱长度，h1为磁分流器至磁芯中柱上端距离，h2为磁分流器至磁芯中柱下端距离,po为输出功率，m为高压电源总质量，k为设计变压器组质量占比，m
t
为单个变压器质量，p
t
为单个变压器额定功率,β为常数全桥为4.48，fr为谐振频率，ac为窗口面积，ae磁芯截面积。
[0138]
所述步骤s22包括如下具体步骤：
[0139]
a、计算等效电容1的容值为：
[0140][0141]
其中c
d1
与c
d1
为高压二极管体电容值，ns为次级匝数，n
p
为初级匝数。
[0142]
首先计算由倍压整流电路反射至初级形成的寄生电容，因为该值大小固定，而等效电容2需要通过设计变压器次级绕组层数得到，该步骤为等效电容2的设计做铺垫。
[0143]
b、计算等效电容2的容值为：
[0144][0145]
其中n
p
为变压器初级绕组匝数，ns为变压器次级绕组匝数，c
p
为lcc变换器所需并联电容，c
wdg
为变压器次级绕组寄生电容。通过该步骤计算出需要设计的等效电容2，等效电容2通过设计变压器次级绕组层数可实现。
[0146]
c、计算变压器次级绕组层数为：
[0147][0148]
其中c
wdg
≤4c0；
[0149][0150][0151][0152][0153][0154]
其中，n
p
为变压器初级绕组匝数，ns为变压器次级绕组匝数，hlt(ns)为次级平均绕组长度，n
layer
变压器次级绕组层数，ε0为空气介电常数，εd为次级绕线绝缘皮相对介电常数,δ为次级绕线绝缘皮厚度，d0为铜线中心距离。
[0155]
步骤s30具体包括：
[0156]
打弧抑制电路包括过流保护电路和打弧抑制电阻。电流互感器采样谐振腔电流后通过滤波电路在电阻r1上形成电压，当出现打弧时，谐振腔电流激增，r1上电压超过所过流保护电路中设置的基准值，控制驱动芯片进入软启动，使输出电压平缓恢复到额定值，同时，打弧抑制电阻通过分压，实现负载电极的消弧。电阻r1参数为：
[0157]
[0158]
其中u
ref
为过流保护电路基准电压，i
limit
为谐振腔最大限制电流。
[0159]
打弧抑制电阻阻值ry与功率py分别为：
[0160][0161][0162]
其中uo为输出电压、ui为输入电压，ii为输入电流，η为变换器效率。
[0163]
本发明提供了一种用于电空气动力推进式飞行器的高压电源方案，其具备高功率密度、轻量化和高可靠性的特点，有效降低了绝缘材料和磁芯的重量，实现了高压电源的轻量化设计。
[0164]
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
[0165]
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
[0166]
以上所述实施例仅表达了本技术的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。因此，本技术专利的保护范围应以所附权利要求为准。