CN102449897B - 用于电气总线定中心的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

描述用于在飞行器配电系统(其包括正极总线轨、负极总线轨和接地)中使用的总线定中心装置。该装置包括：中心节点；配置成分别对于第一和第二预定占空比使该中心节点分别耦合于该正极总线轨和该负极总线轨的第一和第二开关部件。该装置包括耦合在该中心节点和该接地之间的电感部件并且配置成维持该中心节点的电压大致上等于接地，其中维持该正极总线轨和该中心节点之间的电压大致上等于该负极总线轨和该中心节点之间的电压。该装置包括配置成当该第一和第二开关部件关断时维持来自该电感部件的电流的连续性的第一和第二限流装置。

Description

用于电气总线定中心的方法和装置
技术领域
本申请大体上涉及飞行器电力系统，并且更具体地涉及用于电气总线定中心(electrical bus centering)的方法和装置。
背景技术
飞行器电力系统向许多部件提供电力。目前的趋势是在飞行器中包括更多的电部件。该趋势导致向飞行器配电系统要求增加的电力。至少一些已知的飞行器配电系统通过增加配电或总线电压水平来最小化馈电线重量。在一些已知的飞行器中，飞行器总线电压超出270伏直流电(VDC)。
当飞行器总线电压增加时，由于偶然放电风险增加而造成维修人员和其他飞行器部件的风险随之而增加。此外，不期望的电晕放电的风险在高的飞行器总线电压下增加。因此，在一些已知的飞行器系统中，超出270VDC的飞行器总线电压使用以飞行器机壳接地(chassisground)为中心的双极总线而不是单极总线而提供。然而，至少一些已知的双极总线实现比单极总线实现更低效。另外，至少一些已知的双极总线实现使飞行器的重量增加超过单极总线实现。
发明内容
在一个实施例中，提供用于在飞行器配电系统中使用的总线定中心装置，该飞行器配电系统包括正极总线轨、负极总线轨和接地(ground)。该总线定中心装置包括中心节点、配置成对于第一预定占空比(duty cycle)使该中心节点耦合于该正极总线轨的第一开关部件和配置成对于第二预定占空比使该中心节点耦合于该负极总线轨的第二开关部件。该装置还包括耦合在该中心节点和该接地之间的电感部件。该电感部件配置成维持该中心节点的电压大致上等于地电势，其中维持该正极总线轨和该中心节点之间的电压大致上等于该负极总线轨和该中心节点之间的电压。该装置还包括第一限流装置，其耦合于该第一开关部件和该电感部件。该第一限流装置配置成当该第一开关部件关断时维持来自该电感部件的电流的连续性。该装置包括第二限流装置，其耦合于该第二开关部件和该电感部件。该第二限流装置配置成当该第二开关部件关断时维持来自该电感部件的电流的连续性。
在另一个实施例中，提供飞行器电气总线系统，其包括正极总线轨、负极总线轨和接地。该系统包括电源、负载和总线定中心装置。该总线定中心装置包括中心节点、配置成对于第一预定占空比使该中心节点耦合于该正极总线轨的第一开关部件和配置成对于第二预定占空比使该中心节点耦合于该负极总线轨的第二开关部件。该装置还包括耦合在该中心节点和该接地之间的电感部件。该电感部件配置成维持该中心节点的电压大致上等于地电势，其中维持该正极总线轨和该中心节点之间的电压大致上等于该负极总线轨和该中心节点之间的电压。该装置还包括第一限流装置，其耦合于该第一开关部件和该电感部件。该第一限流装置配置成当该第一开关部件关断时维持来自该电感部件的电流的连续性。该装置包括第二限流装置，其耦合于该第二开关部件和该电感部件。该第二限流装置配置成当该第二开关部件关断时维持来自该电感部件的电流的连续性。
在另一个实施例中，提供用于对飞行器配电系统定中心的方法，该飞行器配电系统包括正极总线轨、负极总线轨和接地。该方法包括提供电源和耦合于该电源的负载并且使总线定中心装置耦合于该正极总线轨、负极总线轨和接地。该总线定中心装置包括中心节点、第一开关部件、第二开关部件和电感部件。该电感部件耦合在该中心节点和该接地之间。该方法还包括对于第一预定占空比使该中心节点耦合于该正极总线轨、对于第二预定占空比使使该中心节点耦合于该负极总线轨以及维持该中心节点的电压大致上等于地电势，其中维持该正极总线轨和该中心节点之间的电压大致上等于该负极总线轨和该中心节点之间的电压。
附图说明
图1是示范性飞行器配电系统的框图。
图2是可与在图1中示出的飞行器配电系统一起使用的现有技术的配电系统的示意图。
图3是可与在图1中示出的飞行器配电系统一起使用的示范性总线定中心装置的示意图。
图4是可与在图1中示出的飞行器配电系统一起使用的备选总线定中心装置的示意图。
具体实施方式
图1是示范性飞行器配电系统10的框图。系统10包括至少一个电源20，其经由飞行器配电线或总线50耦合于至少一个负载40。在示范性实施例中，电源20是同步三相交流发电机，其包括转子和定子(未示出)。在示范性实施例中，电源20包括整流电路(未示出)以将该三相交流电转换成直流电(DC)，直流电(DC)用于使总线50通电并且最终使负载40通电。电源20可产生DC电力，其关于飞行器机壳接地(chassis ground)(未示出)浮动。如此，总线定中心装置30可耦合于总线50以大致上使总线50以接地为中心。如本文使用的，术语“定中心”指调整第一电压轨和第二电压轨，使得该第一电压轨具有在参考点之上的正水平的电压水平，并且第二电压轨具有大致上等于该第一电压水平但关于参考点是负的电压水平。例如，总线可具有300VDC的第一电压轨和100VDC的第二电压轨。使该总线以0VDC的接地水平为中心将导致该第一电压轨为+100VDC并且该第二电压轨为-100VDC。
图2是现有技术的配电系统100的一部分的示意图。现有技术的系统100包括正极端子102和负极端子104。端子102和104配置成连接到飞行器电气总线，例如总线50(在图1中示出)。正极和负极端子102和104分别经由电容器108和110耦合于飞行器机壳接地106。现有技术的系统100还包括用于在发电中使用的发电机112，例如三相的Y形连接的定子或变压器。发电机112包括在公共中心点120耦合在一起的第一、第二和第三绕组114、116和118。中心点120耦合于机壳接地106，其便于使现有技术的系统100以接地106为中心。电感器140可耦合在中心点120和机壳接地106之间，如下文描述的。第一绕组114的端子122经由二极管128耦合于正极端子102并且经由二极管134耦合于负极端子104。第二绕组116的端子124经由二极管130耦合于正极端子102并且经由二极管136耦合于负极端子104。第三绕组118的端子126经由二极管132耦合于正极端子102并且经由二极管138耦合于负极端子104。
在运行期间，发电机112产生三相交流电力。更具体地，转子(未示出)使交变磁场分别引入第一、第二和第三绕组114、116和118。这些磁场引起交流电以大致上0、120和240度的相位差流过绕组114、116和118。二极管128、130、132、134、136和138便于将由绕组114、116和118提供的交流电转换成直流电。流过绕组114、116和118的电流的相位差便于提供大致上均匀的电力给一个或多个负载(未示出)，其可耦合于端子102和104。由于绕组114、116和118的Y形配置，一个或多个高幅度的第三谐波电流可导致中心点120连接到机壳接地106。为了最小化这些电流，提供电感器140。然而，为了适当地减小谐波电流，电感器140必须具有足够高的电感。因此，电感器140可向配电系统添加相当大的重量。如果在飞行器配电系统中提供多个发电机，必须提供多个电感器140。因此，现有技术的系统100可明显并且不合要求地增加该飞行器配电系统的重量。
图3是根据本发明的示范性实施例的总线定中心装置200的示意图。在该示范性实施例中，装置200包括正极总线端子202和负极总线端子204。端子202和204配置成连接到一次配电线，例如电气总线50(在图1中示出)。更具体地，在该示范性实施例中，正极端子202耦合于总线50的正DC电压轨(未示出)并且负极端子204耦合于总线50的负DC电压轨(未示出)。正极端子202耦合于正极节点222，负极端子204耦合于负极节点224，并且机壳接地206耦合于接地节点226。第一电容器208耦合在正极节点222和接地节点226之间。第二电容器210耦合在负极节点224和接地节点226之间。第一开关装置212的集电极耦合于正极节点222，并且第一开关装置212的漏极耦合于公共节点228。第二开关装置214的集电极耦合于公共节点228，并且第二开关装置214的漏极耦合于负极节点224。电感器216耦合在公共节点228和接地节点226之间。
在示范性实施例中，第一开关装置212包括晶体管Q1和并联耦合于晶体管01的二极管218。更具体地，晶体管Q1是绝缘栅双极晶体管(IGBT)。在示范性实施例中，第二开关装置214包括晶体管Q2和并联耦合于晶体管Q2的二极管220。更具体地，晶体管Q2是IGBT。二极管218和/或220配置成当晶体管Q1和/或Q2切换到“关断”状态时维持来自电感器216的电流的连续性。在备选实施例中，第一和第二开关装置212和214的每个包括不同的晶体管类型，或可如本文描述的那样操作的任何其他开关装置。如本文描述的，装置200便于对总线50定中心而不需要使用第三谐波抑制电感器，例如电感器140(在图2中示出)。相反地，装置200的设计便于用电感器216(其具有比电感器140小的电感)对总线50定中心。如此，电感器216可提供有相对更小的芯和/或绕组，其便于减小装置200的重量。
在运行期间，经由总线50，第一DC电压Vp施加于正极端子202并且第二DC电压Vn施加于负极端子204，使得Vp比Vn更显正性。第一开关装置212由第一外部控制装置以第一占空比开关。第二开关装置214由第二外部控制装置以第二占空比开关。在示范性实施例中，该第二占空比大约是50％，并且该第二占空比大约是50％，但第二开关装置214的接通与第一开关装置212的接通相比相位延迟了大约180度。如此，第一开关装置212和第二开关装置214交替地开关。更具体地，当第一开关装置212切换到“接通”状态时，第二开关装置214切换到“关断”状态。当第一开关装置212切换到“关断”状态时，第二开关装置214切换到“接通”状态。如此，公共节点228处的电压以大致上方波的模式在第一DC电压Vp和第二DC电压Vn之间交替。如此，公共节点228处的平均电压大约等于(Vp+Vn)/2。因为电感器大体上使DC电流能够大致上无阻碍地流过该电感器，电感器216迫使公共节点228处的电压大约等于接地206的电压。如此，总线定中心装置200使Vp和Vn以及总线50大致上以接地206为中心。更具体地，相对于接地206，第一DC电压Vp被迫大致上为(Vp+Vn)/2并且第二DC电压Vn被迫大致上为-(Vp+Vn)/2。
图4是根据本发明的备选实施例的总线定中心装置300的示意图。在该备选实施例中，装置300包括正极总线端子302和负极总线端子304。端子302和304配置成连接到一次配电线，例如电气总线50(在图1中示出)。更具体地，在该备选实施例中，端子302耦合于总线50的正DC电压轨(未示出)并且端子304耦合于总线50的负DC电压轨(未示出)。正极端子302耦合于正极节点358，负极端子304耦合于负极节点360，并且飞行器机壳接地306耦合于接地节点362。正极端子302经由第一电容器308耦合于接地306。负极端子304经由第二电容器310耦合于接地306。第一开关装置312、第三开关装置316和第五开关装置320的每个的集电极耦合于正极节点358。第二开关装置314、第四开关装置318和第六开关装置322的每个的漏极耦合于负极节点360。第一开关装置312的漏极和第二开关装置314的集电极耦合于第一公共节点366。第三开关装置316的漏极和第四开关装置318的集电极耦合于第二公共节点368。第五开关装置320的漏极和第六开关装置322的集电极耦合于第三公共节点370。装置300进一步包括电感器332和三分支相间变压器324，其包括第一绕组326、第二绕组328和第三绕组330。第一绕组326的第一端子334耦合于第一公共节点366。第二绕组328的第一端子338耦合于第二公共节点368。第三绕组330的第一端子342耦合于第三公共节点370。第一、第二和第三绕组326、328和330的每个包括在公共电感器节点364耦合在一起的相应的第二端子336、340和344。电感器332耦合在接地节点362和电感器节点364之间。在一个实施例中，电感器节点364经由电感器332耦合于接地306。在备选实施例中，省略电感器332并且第一、第二和第三绕组的每个的第二端子336、340和344直接耦合于接地306。
在备选实施例中，第一、第二、第三、第四、第五和第六开关装置312、314、316、318、320和322每个包括相应的晶体管Q1、Q2、Q3、Q4、Q5和Q6和并联耦合于相应的晶体管Q1、Q2、Q3、Q4、Q5和Q6的关联的二极管346、348、350、352、354和356。更具体地，在备选实施例中，晶体管Q1、Q2、Q3、Q4、Q5和Q6是绝缘栅双极晶体管(IGBT)。二极管346、348、350、352、354和/或356配置成当晶体管Q1、Q2、Q3、Q4、Q5和/或Q6切换到“关断”状态时维持来自电感器216的电流的连续性。在另一个实施例中，第一、第二、第三、第四、第五和第六开关装置312、314、316、318、320和322的每个包括不同的晶体管类型，或可如本文描述的那样操作的任何其他开关装置。如本文描述的，装置300便于对总线50定中心而不需要使用第三谐波抑制电感器，例如电感器140(在图2中示出)。相反地，装置300的设计便于用电感器332和/或三分支相间变压器324(其具有比电感器140小的电感)对总线50定中心。如此，电感器332和/或三分支相间变压器324可提供有至少一个相对更小的芯和/或绕组，其便于减小装置300的重量。
在运行期间，经由总线50，第一DC电压Vp施加于正极端子302并且第二DC电压Vn施加于负极端子304，使得Vp比Vn更显正性。第一开关装置312由外部控制装置以第一占空比开关。第二开关装置314由外部控制装置以第二占空比开关。在备选实施例中，该第二占空比大约是50％，并且该第二占空比大约是50％，但第二开关装置314的接通与第一开关装置312的接通相比相位延迟了大约180度。第三开关装置316由外部控制装置以第三占空比开关。第四开关装置318由外部控制装置以第四占空比开关。在备选实施例中，该第三占空比大约是50％，并且该第四占空比大约是50％，但第四开关装置318的接通与第三开关装置316的接通相比相位延迟了大约180度。此外，第三开关装置316的接通与第一开关装置312的接通相比相位延迟了大约120度，并且第四开关装置318的接通与第二开关装置314的接通相比相位延迟了大约120度。第五开关装置320由外部控制装置以第五占空比开关。第六开关装置322由外部控制装置以第六占空比切换。在备选实施例中，该第五占空比大约是50％，并且该第六占空比大约是50％，但第六开关装置322的接通与第五开关装置320的接通相比相位延迟了大约180度。此外，第五开关装置320的接通与第一开关装置312的接通相比相位延迟了大约240度，并且第六开关装置322的接通与第二开关装置314的接通相比相位延迟了大约240度。在另一个实施例中，第一、第二、第三、第四、第五和/或第六占空比不同于大约50％，并且/或第一、第二、第三、第四、第五和第六开关装置312、314、316、318、320和322的切换根据需要而相位延迟不同的量。在备选实施例中，第一、第二、第三、第四、第五和第六开关装置312、314、316、318、320和322由一个外部控制装置切换。在另一个实施例中，第一、第二、第三、第四、第五和第六开关装置312、314、316、318、320和322由多个外部控制装置切换。
如此，第一开关装置312和第二开关装置314采用与如在上文在图3中描述的相同的方式交替地切换。采用相同的方式，第三开关装置316和第四开关装置318交替地切换，并且第五开关装置320和第六开关装置322交替地切换。因此，总线定中心装置300采用与总线定中心装置200(在图3中示出)相似的方式操作，不同的是，装置300用三对交替开关装置操作(每对与前对交错120度)。如此，第一公共节点366处的电压以大致上方波的模式在第一DC电压Vp和第二DC电压Vn之间交替，并且具有大约等于(Vp+Vn)/2的平均电压。因为电感器大体上使DC电流能够大致上无阻碍地流过该电感器，第一绕组326迫使第一公共节点366处的电压大约等于接地306的电压。采用相同的方式，第二绕组328迫使第二公共节点368处的电压大约等于接地306的电压，并且第三绕组330迫使第三公共节点370处的电压大约等于接地306的电压。如此，总线定中心装置300使Vp和Vn以及总线50大致上以接地306为中心。更具体地，相对于接地306，第一DC电压Vp被迫大致上为(Vp+Vn)/2并且第二DC电压被迫大致上为-(Vp+Vn)/2。
由于开关装置312、314、316、318、320的第一、第二、第三、第四、第五和第六占空比的交错，在第一、第二和第三绕组的第二端子336、340和344的公共端点处形成波纹电流。该波纹电流具有大致上是总线定中心装置300的开关频率的三倍的频率。更具体地，该波纹电流具有大致上是第一、第二、第三、第四、第五和第六开关装置312、314、316、318、320和322的开关频率的三倍的频率。此外，由于上文描述的占空比的交错，该波纹电流具有大致上是在总线定中心装置200中发现的波纹电流幅度的三分之一的幅度。如此，本领域内技术人员将意识到总线定中心装置300便于与更高电力配电系统一起使用。本领域内技术人员还将意识到总线定中心装置300可扩展到包括另外的开关装置和/或变压器绕组以容纳更高的配电系统电力水平。
上文描述的实施例便于提供高效和成本有效的方法和装置用于对电气总线定中心。描述的实施例便于提供更轻和更高效的装置用于使配电系统以接地为中心。总线定中心装置便于减小第三谐波电流而不使用第三谐波抑制电感器。上文描述的实施例还便于使多个电源能够并联耦合。此外，该装置便于降低配电系统内的波纹电流的幅度。
用于对电气总线定中心的方法和装置的示范性实施例在上文详细描述。该方法和装置不限于本文描述的具体实施例，相反地，这些装置的部件和/或该方法的步骤可独立并且与本文描述的其他部件和/或步骤分开使用。例如，总线定中心装置还可结合其他测量系统和方法使用，并且不限于只用本文描述的飞行器配电系统实践。相反，示范性实施例可以连同许多其他电力系统应用实现和使用。
尽管本发明的各种实施例的具体特征可在一些图中而不在其他图中示出，这仅是为了方便。根据本发明的原理，图的任何特征可结合任何其他图的任何特征来参考和/或保护。
该书面描述使用示例以公开本发明，其包括最佳模式，并且还使本领域内任何技术人员能够实践本发明，包括制作和使用任何装置或系统并且执行任何包含的方法。本发明的专利范围由权利要求限定，并且可包括本领域内技术人员想起的其他示例。这样的其他示例如果它们具有不与权利要求的书面语言不同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的书面语言无实质区别的等同结构元件则规定在权利要求的范围内。

Claims (17)

1.一种用于在飞行器配电系统中使用的总线定中心装置，所述飞行器配电系统包括正极总线轨、负极总线轨和接地，所述装置包括：
中心节点；
配置成对于第一预定占空比使所述中心节点耦合于所述正极总线轨的第一开关部件；
配置成对于第二预定占空比使所述中心节点耦合于所述负极总线轨的第二开关部件；
包括耦合在所述中心节点和接地之间的三分支相间变压器的电感部件，所述电感部件配置成维持所述中心节点的电压大致上等于地电势，其中维持所述正极总线轨和所述中心节点之间的电压大致上等于所述负极总线轨和所述中心节点之间的电压；
第一限流装置，其耦合于所述第一开关部件和所述电感部件，所述第一限流装置配置成当所述第一开关部件关断时维持来自所述电感部件的电流的连续性；以及
第二限流装置，其耦合于所述第二开关部件和所述电感部件，所述第二限流装置配置成当所述第二开关部件关断时维持来自所述电感部件的电流的连续性。
2.如权利要求1所述的装置，其中所述第一开关部件以大约50%的第一占空比来开关，并且所述第二开关部件以大约50%的第二占空比来开关，所述第二开关部件的开关与所述第一开关部件的开关相比相位延迟了大约180度。
3.如权利要求1所述的装置，其中所述装置包括第三、第四、第五和第六开关部件。
4.如权利要求3所述的装置，其中所述第三开关部件以大约50%的第三占空比开关并且所述第四开关部件以大约50%的第四占空比开关，所述第四开关部件的开关与所述第三开关部件的开关相比相位延迟了大约180度。
5.如权利要求3所述的装置，其中所述第五开关部件以大约50%的第五占空比开关并且所述第六开关部件以大约50%的第六占空比开关，所述第六开关部件的开关与所述第五开关部件的开关相比相位延迟了大约180度。
6.一种飞行器配电系统，其包括正极总线轨、负极总线轨和接地，所述系统包括：
电源；
负载；和
总线定中心装置，其包括：
中心节点；
配置成对于第一预定占空比使所述中心节点耦合于所述正极总线轨的第一开关部件；
配置成对于第二预定占空比使所述中心节点耦合于所述负极总线轨的第二开关部件；
包括耦合在所述中心节点和所述接地之间的三分支相间变压器的电感部件，所述电感部件配置成维持所述中心节点的电压大致上等于地电势，其中维持所述正极总线轨和所述中心节点之间的电压大致上等于所述负极总线轨和所述中心节点之间的电压；
第一限流装置，其耦合于所述第一开关部件和所述电感部件，所述第一限流装置配置成当所述第一开关部件关断时维持来自所述电感部件的电流的连续性；以及
第二限流装置，其耦合于所述第二开关部件和所述电感部件，所述第二限流装置配置成当所述第二开关部件关断时维持来自所述电感部件的电流的连续性。
7.如权利要求6所述的系统，其中所述第一开关部件以大约50%的第一占空比开关并且所述第二开关部件以大约50%的第二占空比开关，所述第二开关部件的开关与所述第一开关部件的开关相比相位延迟了大约180度。
8.如权利要求6所述的系统，其中所述装置包括第三、第四、第五和第六开关部件。
9.如权利要求8所述的系统，其中所述第三开关部件以大约50%的第三占空比开关并且所述第四开关部件以大约50%的第四占空比开关，所述第四开关部件的开关与所述第三开关部件的开关相比相位延迟了大约180度。
10.如权利要求8所述的系统，其中所述第五开关部件以大约50%的第五占空比开关并且所述第六开关部件以大约50%的第六占空比开关，所述第六开关部件的开关与所述第五开关部件的开关相比相位延迟了大约180度。
11.如权利要求6所述的系统，其中所述电感部件进一步包括耦合于所述三分支相间变压器的电感器。
12.一种用于对飞行器配电系统定中心的方法，所述飞行器配电系统包括正极总线轨、负极总线轨和接地，所述方法包括：
提供电源和耦合于所述电源的负载；
使总线定中心装置耦合于所述正极总线轨、所述负极总线轨和所述接地，所述总线定中心装置包括：
中心节点；
第一开关部件、第二开关部件和电感部件，所述电感部件包括耦合在所述中心节点和所述接地之间的三分支相间变压器；
使所述三分支相间变压器耦合于所述第一开关部件和所述第二开关部件；
对于第一预定占空比使所述中心节点耦合于所述正极总线轨；
对于第二预定占空比使所述中心节点耦合于所述负极总线轨；以及
维持所述中心节点的电压大致上等于地电势，其中维持所述正极总线轨和所述中心节点之间的电压大致上等于所述负极总线轨和所述中心节点之间的电压。
13.如权利要求12所述的方法，其中所述方法进一步包括：以大约50%的第一占空比开关所述第一开关部件并且以大约50%的第二占空比开关所述第二开关部件，其中所述第二开关部件的开关与所述第一开关部件的开关相比相位延迟了大约180度。
14.如权利要求12所述的方法，其中所述方法进一步包括使第三、第四、第五和第六开关部件耦合于所述正极总线轨和所述负极总线轨中的至少一个。
15.如权利要求14所述的方法，其中所述方法进一步包括：以大约50%的第三占空比开关所述第三开关部件并且在大约50%的第四占空比开关所述第四开关部件，其中所述第四开关部件的开关与所述第三开关部件的开关相比相位延迟了大约180度。
16.如权利要求14所述的方法，其中所述方法进一步包括：以大约50%的第五占空比开关所述第五开关部件并且以大约50%的第六占空比开关所述第六开关部件，其中所述第六开关部件的开关与所述第五开关部件的开关相比相位延迟了大约180度。
17.如权利要求12所述的方法，其中所述方法进一步包括使作为所述电感部件一部分的电感器耦合于所述三分支相间变压器。
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