CN103187884A - 高压dc功率发生 - Google Patents

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S.J.方
R.A.希梅尔曼
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Abstract

本发明涉及高压DC功率发生。一种DC功率系统包括永磁发电机（PMG）和与PMG进行电通信的有源整流器。有源整流器适配为如果PMG在低速下操作则对从PMG输出的功率进行有源整流，并且有源整流器还适配为如果PMG在高速下操作则对从PMG输出的功率进行无源整流。

Description

高压DC功率发生
技术领域
本文公开的主题一般地涉及功率系统领域，并且更特别地涉及具有有源整流的高压直流（DC）功率发生。
背景技术
通常，对功率系统上的负载的电流要求规定了所述系统的尺寸、重量和成本。在利用永磁发电机（PMG）和/或永磁起动器的功率系统中，理想的平衡将包括基于PMG的功率系统，其能够在低速下以最小的电流产生大的额定扭矩，同时还能够以较高的速度调节DC输出电压。然而，如果PMG的反电动势（BEMF）是相对低的，则系统输出功率受到限制，这可能在不增加其尺寸以计及更高的电流操作的情况下导致适当地定额用于低速操作的功率系统方面的困难。此外，如果PMG的BEMF是相对高的，则脉宽调制（PWM）有源整流是困难的，因此，可能难以调节DC输出电压。
根据常规功率系统，例如，图1所示的系统10，可以使用来自永磁发电机11的两组绕组（即，6相）。较低BEMF的一组绕组向有源整流器13馈电且较高BEMF的一组绕组与6二极管无源整流器12相连。系统10在低速下用有源整流器13且在高速下用无源整流器11执行起动器/监视功能。如所示，系统10利用两个物理上分离的整流器，每个被连接到PMG 11上的不同组的绕组，并因此遭受与取决于电流要求的相当大的尺寸和重量相关联的缺点。
发明内容
根据本发明的一方面，DC功率系统包括永磁发电机（PMG）以及与PMG进行电通信的有源整流器。有源整流器适配为如果PMG在低速下操作则对从PMG输出的功率进行有源整流，并且有源整流器还适配为如果PMG在高速下操作则对从PMG输出的功率进行无源整流。
根据本发明的另一方面，DC功率系统包括永磁发电机（PMG）以及与PMG进行电通信的整流器，其中，整流器被配置为响应于PMG的速度变化动态地在有源整流模式与无源整流模式之间切换。
通过结合附图进行的以下说明，本发明的其它方面、特征和技术将变得更加显而易见。
附图说明
现在参考附图，其中，在多个图中相同的元件被相同地编号：
图1举例说明常规DC功率发生系统；
图2举例说明根据示例性实施例的DC发生系统；
图3A举例说明DC功率发生系统的常规整流控制部分；
图3B举例说明根据示例性实施例的DC功率发生系统的有源整流控制部分；
图4A举例说明根据示例性实施例的DC功率发生系统；
图4B举例说明根据示例性实施例的DC功率发生系统；
图5举例说明根据示例性实施例的包括DC功率系统的有源整流模式和无源整流模式二者的操作特性的图表；以及
图6举例说明根据示例性实施例的功率系统的有源至无源整流过渡的图。
具体实施方式
在本文中提供了DC功率发生系统的实施例，下面更详细地讨论示例性实施例。
转到图2，示出了DC功率系统。DC功率系统100可以是运载工具（例如陆上运载工具、海上运载工具、飞行器等）的功率系统。如所示，系统100包括永磁发电机（PMG）和/或永磁起动器101。PMG 101可以是同步发电机，并且可以跨越三个绕组（表示为LA、LB和LC）产生3相功率（用相A、B和C）来表示。
系统100还包括例如通过绕组LA、LB和LC与PMG 101进行电通信的有源整流器102。有源整流器102包括被配置为响应于从控制器或门驱动器（未示出）施加的脉宽调制（PWM）信号接通/关断的多个开关S1、S2、S3、S4、S5和S6。所述多个开关S1、S2、S3、S4、S5和S6中的每个开关可以包括功率半导体开关（例如晶体管）以及耦合在晶体管的发射极和集电极两端的二极管。每个晶体管可以是基于结的晶体管、场效应晶体管或任何其它适当的晶体管。每个二极管可以是续流二极管或任何其它适当二极管。
有源整流器102还包括耦合在所述多个开关S1、S2、S3、S4、S5和S6中的每个开关的输出端两端的DC电容器CDC1。有源整流器102还包括并联地被耦合为与DC电容器CDC1进行电通信的R-C阻尼电路。R-C阻尼电路包括与电容CF1串联的电阻RF1。R-C阻尼电路被布置为帮助在无源整流操作期间使由PMG 101的电感和有源整流器102的DC输出轨103～104形成的谐振问题稳定（例如在开关断开的情况下）。
应注意的是由于所述多个开关S1、S2、S3、S4、S5和S6中的每个开关包括半导体开关和二极管两者，所以在其中所有开关都断开的情况下，有源整流器102开始充当无源整流系统。下面更全面地对此进行描述。
转到图3A～3B，举例说明DC功率发生系统的不同整流控制部分。如图3A所示，整流控制部分200利用用于高速操作的无源整流器201和用于PMG的低速操作的有源整流器202两者（参见图1）。如所示，部分200要求到PMG的两组绕组KE1和KE2的电连接（例如，6相）。
相反，整流控制部分210包括到一组绕组KE1和KE2到逆变器或有源整流器211的电连接。由于电感L1和L2被累积地施加于逆变器211，部分210的相电流小于部分200的相电流。例如，下面提出的等式1和2描绘了确定用于整流器控制部分200的扭矩常数和相电流的计算。
等式1：                                                
Figure 394985DEST_PATH_IMAGE001
等式2：
Figure 466453DEST_PATH_IMAGE002
在等式1和2中，m是常数，I ph base 是整流器控制部分200的相电流，并且T是扭矩要求。相反，下面提出的等式3和4描绘了确定用于整流器控制部分210的扭矩常数和相电流的计算。
等式3：
Figure 246190DEST_PATH_IMAGE003
等式4：
Figure 172558DEST_PATH_IMAGE004
因此，在实现相同的扭矩T时，如以下等式5中概述的，与用于部分200的相电流I ph base 相比，减小了用于部分210的相电流I ph new ：
等式5：
Figure 986930DEST_PATH_IMAGE005
因此，与将两组绕组用于分离的无源和有源整流器（例如图1和3A）相比，降低了对具有PMG 101与有源整流器102之间的电连接的系统100的电流要求。
转到图4A～4B，用处于断开布置（如前文所述）或处于无源整流模式的所有开关举例说明了DC功率发生系统100。由于在图4A中所述多个开关S1、S2、S3、S4、S5和S6中的每个开关都是断开的，所以可以用图4B来表示处于无源整流模式的系统100的适当示意性表示，其基本上类似于无源整流器，并且应将其理解为提供类似的功能。
转到图5，图表400举例说明响应于PMG（例如PMG 101）的速度包括有源整流模式和无源整流模式的操作特性。如所示，操作带401包括足以用于用系统100供电的多个负载的适当操作的一定范围的高压DC值。例如，上带极限411可以是应在系统100的DC输出总线处供应的已调节DC的最高或最大值。此外，下带极限412可以是应在系统100的DC输出总线处供应的已调节DC的最低或最小值。
如所示，系统100的实际已调节DC水平413在操作期间包括相对接近于PMG 101的较低速操作下的下带极限的值。此相对低的DC水平在有源整流期间使所述多个开关S1、S2、S3、S4、S5和S6处的功率消耗最小化。随着速度增加，系统100具有补偿较高BEMF的至少两种方法。第一种方法通过如图4B所示地断开有源整流开关来逐渐地接近无源整流模式。第二方法是通过将已调节DC电压调整至接近于上带极限411的相对高的水平。如所示，DC总线电压以其中PMG的增加的BEMF促使DC输出功率变得不那么稳定的速度快速地增加，因此，示例性实施例接近于无源整流，并且用图5的增加的DC总线电压来调节所示的DC总线电压。
因此，如上所述，本发明的示例性实施例提供能够在PMG的大的速度范围内高效地进行操作的高压DC功率系统。如图6所示，功率系统以高速从有源整流过渡至无源整流 。
如图6中的图600所示，在时间1之前用有源整流来操作功率系统；并保持DC总线电压调节。功率系统在时间1之后过渡至无源整流以补偿较高的BEMF，从而将已调节DC总线电压保持在适当的极限内，同时还通过排除补充整流装置来降低功率系统的重量、成本和尺寸。
本文所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的，并且并不意图限制本发明。虽然已经出于图示和说明的目的提出了本发明的说明，但其并不意图是排他性的或局限于所公开的形式的本发明。在不脱离本发明的范围和精神的情况下，迄今未描述的许多修改、变化、变更、置换和等价布置对于本领域的普通技术人员来说将是显而易见的。另外，虽然已经描述了本发明的各种实施例，应理解的是本发明的方面可以仅包括所述实施例中的某些。因此，不应将本发明视为受前述说明的限制，而是仅仅由所附权利要求的范围来限制。

Claims (18)

1.一种DC功率系统，包括：
永磁发电机（PMG）；以及
与PMG进行电通信的有源整流器；
其中， 所述有源整流器适配为如果PMG在低速下操作则对从PMG输出的功率进行有源整流，并且有源整流器还适配为如果PMG在高速下操作则对从PMG输出的功率进行无源整流。
2.权利要求1的系统，其中，PMG是同步PMG。
3.权利要求1的系统，其中，所述有源整流器包括被布置为与PMG进行电通信的多个开关。
4.权利要求3的系统，其中，所述多个开关被配置为能动地切换以在低速下对从PMG输出的功率进行整流。
5.权利要求4的系统，其中，所述多个开关被配置为保持断开以在高速下对从PMG输出的功率进行整流。
6.权利要求3的系统，其中，所述多个开关被配置为保持断开以在高速下对从PMG输出的功率进行整流。
7.权利要求3的系统，其中，所述多个开关中的每个开关包括功率开关晶体管和布置在功率开关晶体管的发射极和集电极两端的二极管。
8.权利要求7的系统，其中，每个功率开关晶体管被布置为在低速下主动切换以对从PMG输出的功率进行整流。
9.权利要求8的系统，其中，每个功率开关晶体管被配置为通过相应的二极管来路由电通信以在低速下对从PMG输出的功率进行整流。
10.一种DC功率系统，包括：
永磁发电机（PMG）；以及
与PMG进行电通信的整流器；
其中，整流器被配置为响应于PMG的速度变化动态地在有源整流模式与无源整流模式之间切换。
11.权利要求10的系统，其中，PMG是同步PMG。
12.权利要求10的系统，其中，所述整流器包括被布置为与PMG进行电通信的多个开关。
13.权利要求12的系统，其中，所述多个开关被配置为能动地切换到有源整流模式中。
14.权利要求13的系统，其中，所述多个开关被配置为在无源整流模式下保持断开。
15.权利要求12的系统，其中，所述多个开关被配置为在无源整流模式下保持断开。
16.权利要求12的系统，其中，所述多个开关中的每个开关包括功率开关晶体管和布置在功率开关晶体管的发射极和集电极两端的二极管。
17.权利要求16的系统，其中，每个功率开关晶体管被布置为能动地切换到有源整流模式中。
18.权利要求17的系统，其中，每个功率开关晶体管被配置为在无源整流模式下通过相应的二极管来路由电通信。
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