使用Y字形结构的复合式交流-直流功率转换器制造技术

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。

【技术实现步骤摘要】
使用Y字形结构的复合式交流-直流功率转换器
技术介绍
本专利技术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/循环次本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：E·加内夫，W·沃尔，K·陈，
申请(专利权)人：霍尼韦尔国际公司，
类型：发明
国别省市：