CN103795276A - 具有升压能力的复合ac到dc功率转换器 - Google Patents

具有升压能力的复合ac到dc功率转换器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及具有升压能力的复合AC到DC功率转换器。一种接近于2到1升压多相AC到DC转换器可包括主整流器、副整流器；以及连接到主整流器和副整流器的自耦变压器。该自耦变压器可包括布置在多条支线中的多个互连绕组，其中对于每相各一条支线，以及其中每条支线包括多个绕组，其中每条支线的绕组中除了一个外的所有绕组具有相同的匝数比，以及每条支线的绕组中的一个绕组具有的匝数比小于相应支线的所有其他绕组的匝数比。

Description

具有升压能力的复合AC到DC功率转换器
技术领域
本发明一般涉及AC到DC转换器，以及更特别地涉及具有升压能力的无源AC到DC转换器。
背景技术
AC到DC转换器在现代航空／军事工业中扮演着重要角色。在用于飞行器和航天器的更多电子架构(MEA)领域中尤其如此。由于安装在同一总线上的大量的电功率系统和设备，功率质量对于MEA飞行器来说是主要关注点。这些系统和设备的功率质量具有迫切的要求以确保所有电源/利用设备正确地共同起作用。
“复合AC到DC转换器”已经被创建来与并行使用两个或更多转换方法的转换器相区别。对于复合AC到DC转换器的概念来源为向更小尺寸、更轻重量和更高效率的进一步改进。
虽然复合AC到DC转换器向性能改善迈出一大步，但是它们还没有结合有效的升压能力。复合AC到DC转换器通常提供了三相115Vac系统的整流，从而导致270Vdc的典型输出电压值。存在很多情况，其中期望输出电压高得多以实现连续功率调节的更好性能。用于一些配电系统中的典型值是540Vdc、+／-270Vdc和610Vdc。这意味着对用于三相115Vac系统中来产生大约是其整流输出两倍高的输出电压的复合AC到DC转换器而言，其将是期望的。也就是说，将期望在复合AC到DC转换器中提供升压能力。另外，将期望实现这样的无源升压，其与基于半导体的有源升压电路相比，采用了自耦变压器。在航空应用的情境中，无源系统相比于有源系统的固有可靠性是重要的考虑因素。
在复合AC到DC转换器的自耦变压器内，内部绕组匝数比负责其升压因数。然而，典型的自耦变压器的转换比(ACR)在用于升压时将开始减少。在升压拓扑结构中，减少的ACR的主要原因可被看作是自耦变压器绕组的伏特*安培(VA)的总和一直上升，而自耦变压器输出功率一直保持恒定。高ACR在用于航空交通工具中的自耦变压器中是期望的，因为与具有低ACR的自耦变压器相比，这样的自耦变压器可以被构造具有更小的绕组，以及具有更低的重量。
如可以看出的，需要一种具有升压能力的复合无源的AC到DC转换器。更特别地，需要这样一种转换器，其可利用以高ACR进行操作的自耦变压器来产生无源升压。
发明内容
在本发明的一个方面中，一种多相AC到DC转换器可包括：主整流器；副整流器；和连接到主整流器和副整流器的自耦变压器，该自耦变压器包括被布置在多条支线中的多个互连的绕组，其中对于每相各一条支线，以及其中每条支线包括多个绕组，其中每条支线的绕组中除了一个外的所有绕组具有相同的匝数比，以及每条支线的绕组中的一个绕组具有的匝数比小于相应支线的所有其他绕组的匝数比。
本发明的另一方面中，一种具有布置在三条支线中的绕组的三相升压自耦变压器，其可包括：具有根据矢量图确定的匝数比的绕组，该矢量图是使用线到线电压矢量来连接放置在等边三角形的边的投影上的顶端所构造的；其中构造弧在顶端之间摆动，具有的半径等于线到线电压矢量的长度；以及其中线到线电压矢量的长度被选择为使得在自耦变压器的每条支线中存在得到数目为四的绕组。
本发明的又一方面中，用于执行具有升压的三相AC到DC功率转换器的方法可包括以下步骤：使第一部分AC功率直接穿过自耦变压器的相专用绕组到达主整流器，其中该第一部分的电压被提升；使第二部分AC功率穿过自耦变压器的多个绕组，而不是相专用绕组，到达副整流器，其中该第二部分的电压被提升；分别使用主整流器和副整流器对第一和第二部分进行整流;以及组合主整流器和副整流器的输出来产生单个整流的升压直流电压输出。
本发明的这些和其他的特征、方面和优点将参照下面的附图、描述和权利要求而变得更好理解。
附图说明
图1是根据本发明的一个实施例的AC到DC功率转换器的示意图；
图2是根据本发明的一个实施例的用来确定自耦变压器的绕组配置的分析技术的矢量图；
图3是图1的转换器的简化示意图的图形说明，其反映了以矢量形式的自耦变压器配置；
图4是根据本发明的一个实施例的用于执行AC到DC功率转换的方法的流程图。
具体实施方式
下面的详细描述具有执行本发明的示例性实施例的目前想到的模式。该描述不以限制意义来进行，而是仅出于说明本发明的一般原理的目的而做出，因为本发明的范围由所附权利要求所最佳限定。
下面描述各种发明特征，这些特征均可被相互独立地使用或与其他特征组合使用。
广泛地，本发明的实施例通常提供具有升压能力的无源复合AC到DC转换器。更特别地，这样的转换器可利用具有高ACR的自耦变压器来产生无源升压。
现在参照图1，可以看到的是，示例性AC到DC转换器10可包括自耦变压器12、主整流器14和副整流器16。在图1中，转换器10被示为连接在三相电源18和直流负载20之间。主整流器14和副整流器16是常规的6脉冲整流器。自耦变压器12可以用三条支线X、Y和Z来构造。支线X、Y和Z中的每一条可包括四个绕组A、B、C和D。如图1中所示，自耦变压器12的十二个绕组可相互间互连并位于电源18和整流器14和16之间。
可以选择绕组的匝数比和它们的互连布置来提供高升压和高自耦变压器转换比(ACR)两者。
现在参照图2，矢量图30显示了可被用来确定用于自耦变压器12的绕组的匝数比和互连配置的分析技术。矢量图30可以是使用线到线电压矢量42来连接顶端32所构造的，该顶端32被放置在沿着等边三角形38的边36的投影34上。构造弧40在这些顶端32之间摆动，其等于线到线电压范围矢量42的长度。矢量42的长度选择为使得在支线X、Y和Z(见图1)中的每一条中存在得到数目为四的绕组A、B、C和D。在升压12脉冲整流系统中可有效工作的每支线绕组的最小数目是四。当仅有四个绕组被用于每条支线中时，自耦变压器12的总重量和尺寸可以被最小化。
与其他矢量42等角度间隔的矢量42之一可从矢量顶端32的相反一个画到弧40的中点37。顶端32或矢量42与然后可使用的弧40的交点可被用于设计电压比和绕组的互连。例如，用于绕组YD的矢量44可在弧40的中点37和三角形38的左边之间在平行于三角形的底边的方向上被画出。用于绕组ZC的矢量46可从中点37到三角形的左边在平行于三角形38的右边的方向上被画出。
上述分析过程可对于功率输入18的所有三相重复，以便可以确定自耦变压器12的所有十二个绕组的匝数比。
例如，在图30上，三角形的边可被标准化为值1。矢量42的长度可对应于所期望的升压并被选择具有大约2的值。用于绕组XA、YD和ZC的得到的匝数比可以是大约0.57。用于绕组XB的得到的匝数比可以是大约0.42。可以看出的是，随着对所有三相重复上述过程，用于支线X、Y和Z中的每条的匝数比的得到模式可包括具有相等匝数比的三个绕组和第四绕组，该第四绕组具有的匝数比在支线的其他三个绕组的任一个的匝数比的大约70％和75％(例如，0.42／0.57)之间。
现在参照图3，可以看出的是，自耦变压器12和图1的互连可按照替代的简化示意方式被图像显示，该方式可反映出图2中所示的矢量分析的成果。来自相P1的AC输入可被连接在功率输入端子50处，即绕组XA、YD和ZB的电交叉点。来自相P2的AC输入可被连接在功率输入端子52，即绕组YA、ZD和XB的电交叉点。来自相P3的AC输入可被连接在端子54，即绕组ZA、YB和XD的电交叉点。绕组XA、YA和ZA可分别在输出端子56、58和60处被直接连接到主整流器14的输入。在这点上，绕组XA、YA和ZA可被视为相专用绕组。绕组YD、ZC和XD可在端子50和52之间彼此连接。绕组ZD、XC和YB可在端子52和54之间彼此连接。绕组XD、YC和ZB可在端子54和50之间彼此连接。
可以看出的是，馈送到副整流器16的电流部分小于馈送到主整流器14的部分，并且馈送到主整流器14的电流部分沿着低阻抗路径。这种分离的重要性在于如果更大的电流部分在自耦变压器12内采取“短”路径通往其输出，则自耦变压器12可具有更小的损耗。由于自耦变压器12中绕组的配置，转换器10可具备几乎2到1的升压，同时自耦变压器12的ACR可保持高到大约1.5。另外，由于副整流器16可经历更低RMS电流，因此相对于主整流器14，副整流器16可被选择为比用于主整流器14的装置更小的装置。因此，转换器10的总重量和总尺寸可保持期望地小。
现在参照图4，流程图400图示出了用于执行具有升压的AC到DC功率转换的方法。在步骤402中，第一部分AC功率可直接穿过自耦变压器的相专用绕组到达主整流器，其中AC电流的第一部分的电压被提升。例如，AC功率可穿过来自AC电源18的绕组XA、YA和ZA到达主整流器14中。在步骤404中，AC功率的第二部分可穿过自耦变压器的多个绕组，而不是相专用绕组，到达副整流器，其中AC功率的第二部分的电压被提升。例如，AC功率可从AC电源18穿过图3中所示的串联连接的绕组到达副整流器16。在步骤406和408中，功率的第一和第二部分可分别在主整流器和副整流器中被整流。在步骤410中，主整流器和副整流器的输出被组合以产生单个DC输出。
当然，应当理解的是，前述内容涉及本发明的示例性实施例，并且可以在不脱离如在以下权利要求中所阐述的本发明的精神和范围的情况下做出修改。

Claims (9)

1.一种多相AC到DC转换器(10)，包括：
主整流器(14)；
副整流器(16)；以及
自耦变压器(12)，其被连接到主整流器(14)和副整流器(16)，所述自耦变压器(12)包括布置在多条支线(X，Y和Z)中的多个互连绕组(XA，XB，XC，XD，YA，YB，YC，YD，ZA，ZB，ZC和ZD)，其中对于每相各一条支线，以及其中每条支线包括多个绕组，其中每条支线的绕组中除了一个外的所有绕组具有相同的匝数比，以及每条支线的绕组中的一个绕组具有的匝数比小于相应支线的所有其他绕组的匝数比。
2.根据权利要求1的AC到DC转换器：
其中输入到所述转换器的功率是三相AC功率；
其中所述自耦变压器包括十二个互连绕组，其被布置在三条支线中，其中每条支线包括四个绕组；以及
其中每条支线的绕组中的三个绕组具有相同的匝数比，以及每条支线的绕组中的一个绕组具有的匝数比在相应支线的所有其他绕组的匝数比的大约70％和大约75％之间。
3.根据权利要求2的AC到DC转换器，
其中十二个互连绕组的匝数比是通过使用矢量图来确定的，所述矢量图是使用线到线电压矢量(42)来连接放置在等边三角形(38)的边(36)的投影(34)上的顶端(32)所构造的；
其中构造弧(40)在所述顶端(32)之间摆动，具有的半径等于所述线到线电压矢量(42)的长度；以及
其中所述线到线电压矢量(42)的长度被选择为使得在自耦变压器的每条支线中存在得到数目为四的绕组。
4.根据权利要求1的AC到DC转换器，其中所述自耦变压器提供大约2到1的升压，以及所述自耦变压器具有大约1.5的自耦变压器转换比(ACR)。
5.根据权利要求1的AC到DC转换器，其中在每条支线(X，Y和Z)中的绕组(XA，YA和ZA)之一被直接连接到所述主整流器。
6.根据权利要求5的AC到DC转换器，其中直接连接到所述主整流器的在每条支线中的绕组(XA，YA和ZA)之一也被直接连接到AC功率输入端子。
7.根据权利要求5的AC到DC转换器，
其中所述自耦变压器包括三个功率输入端子(50，52和54)；
其中所述绕组中的三个被一起串联连接在所述功率输入端子中的任意两个之间；以及
其中，在这样连接的三个绕组中，所述绕组之一所来自的支线不同于直接连接到所述两个功率输入端子的绕组的支线。
8.根据权利要求5的AC到DC转换器，其中除了直接连接到所述主整流器的绕组外，所有绕组被串联连接在一起。
9.根据权利要求8的AC到DC转换器，其中所有串联连接的所述绕组包括在三个功率输入端子中的任一个与所述副整流器之间的电路路径。
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