CN109716611A - 用于功率系统架构的方法和模块化系统 - Google Patents
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Abstract
一种用于组装功率系统架构的方法和模块化系统包括具有第一DC输入和DC输出的直流电（DC）输出模块、具有DC输入/输出和交流电（AC）输入/输出的公共功率模块、具有AC输入和第一AC输出的AC输出模块以及具有第二DC输入和第二AC输出的激励器功率模块。
Description
背景技术
功率电子系统用于能量转换。例如，对于功率系统架构中的功率电子系统常见的是从诸如电机或发电机的功率源接收功率供应，并将接收到的功率转换为送往电气负载的期望功率。功率供应到电气负载的期望功率的转换能基于电气负载的功率系统架构的电气特性。
发明内容
在一个方面，本公开涉及一种用于组装功率系统架构的模块化系统，该功率系统架构包括具有DC输入/输出和交流电（AC）输入/输出的公共功率模块以及以下中的至少一个：具有第一DC输入和DC输出的直流电（DC）输出模块或具有AC输入和第一AC输出的AC输出模块。第一DC输入被配置为连接到所述DC输入/输出，或者所述AC输入/输出被配置为连接到以下中的一个：所述AC输入、第二公共功率模块的AC输入/输出或AC发电机输出。
在另一方面，本公开涉及一种组装功率电子转换系统架构的方法，包括：确定功率电子转换系统架构设计；基于确定的功率电子转换系统架构设计将具有DC输入/输出和AC输入/输出的公共功率模块连接到以下中的至少一个：具有第一DC输入和DC输出的DC输出模块、具有AC输入和第一AC输出的AC输出模块或者具有第二DC输入和第二AC输出的激励器功率模块；由所述公共功率模块检测所述DC输出模块、所述AC输出模块或所述激励器功率模块中的所述至少一个；以及基于所述至少一个检测到的模块操作所述功率电子转换系统架构。
在又一方面，本公开涉及一种用于组装飞行器中的功率系统架构的模块化系统，所述系统包括具有第一DC输入和DC输出的直流电（DC）输出模块、具有DC输入/输出和AC输入/输出的公共功率模块、具有AC输入和第一AC输出的AC输出模块、以及具有第二DC输入和第二AC输出的激励器功率模块。第一DC输入被配置为连接到所述DC输入/输出，所述AC输入/输出被配置为连接到以下中的一个：所述AC输入、第二公共功率模块的AC输入/输出或AC发电机输出，所述第二DC输入被配置为连接到所述DC输入/输出；以及所述公共功率模块以及所述DC输出模块、所述AC输出模块或所述激励器功率模块中的至少一个可选择地可连接以组装以下中的至少一个：配置用于起动机/发电机的DC输出功率系统架构、配置用于发电机的DC输出功率系统架构、AC到DC功率转换器、配置用于起动机/发电机的AC输出功率系统架构、配置用于发电机的AC输出功率系统架构、或者AC到AC功率转换器。
附图说明
在附图中：
图1是按照本文描述的各个方面的功率系统架构的示意图。
图2是按照本文描述的各个方面的图1的功率系统架构的模块化功率电子转换系统组件的集合的示意图。
图3是按照本文描述的各个方面的用于发电机的功率系统架构的示意图。
图4是按照本文描述的各个方面的用于三相功率源的功率系统架构的示意图。
图5是按照本文描述的各个方面的用于发电机的另一功率系统架构的示意图。
图6是按照本文描述的各个方面的用于三相功率源的另一功率系统架构的示意图。
图7是按照本文描述的各个方面的演示组装功率系统架构的方法的流程图示例。
具体实施方式
虽然本发明能被实现在配置用于将第一功率从功率源转换、整流、调制或以其它方式更改为第二功率的环境中。本公开的各方面能被应用于提供功率的任何功率源，并且能包括但不限于电气发电机、起动机/发电机、电机、电池、交流电（AC）功率源（诸如三相或四相功率源）或直流电（DC）功率。此外，本公开的各方面能被应用在许多物理环境中，包括但不限于飞行器功率系统、水基或陆基交通工具功率系统、永久结构功率系统等。
虽然将描述各种元件的“集合”，但要理解，“…的集合”能包括任何数量的相应元件，包括仅一个元件。同样在本文中使用时，虽然传感器能被描述为“感测”或“测量”相应的值，但是感测或测量能包括确定指示相应值的或与相应值相关的值，而不是直接感测或测量值本身。感测值或测量值能被进一步提供给附加组件。比如，值能被提供给控制器模块或处理器，并且控制器模块或处理器能对该值执行处理以确定代表所述值的电特性或代表值。更进一步，虽然能描述感测或测量电流或电压，但是能包括被配置为感测或测量任何电功率特性的任何传感器。
连接参考（例如，附接、耦合、连接和结合）要被广义地解释，并且除非另有指示，否则能包括元件集合之间的中间部件和元件之间的相对移动。像这样，连接或耦合参考不一定推断出两个元件直接连接并且彼此固定关系。示范性附图仅用于图示的目的，并且所附于此的附图中反映的尺寸、位置、次序和相对大小能变化。
图1示意性地图示了功率系统架构10，其具有配置为或能够提供电功率的功率源12、具有输入16和输出18的模块化功率电子转换系统14以及电气负载20。虽然功率系统架构能包括电气负载的集合，但为了简洁起见，仅示意性图示了单个电气负载20。功率源12与模块化功率电子转换系统14的输入16电耦合，并且被配置为从功率源12向模块化功率电子转换系统14的输入16提供第一功率。模块化功率电子转换系统14的输出18进一步与电气负载20电耦合，并且被配置为从模块化功率电子转换系统14的输出18向电气负载20提供第二功率。第一功率被模块化功率电子转换系统14转换、改变、修改或以其它方式更改为不同的第二功率。将第一功率更改为第二功率能包括任何功率修改，包括但不限于逆变、整流、调制、升压或降压或者它们的组合。在本公开的一个方面中，第二功率能是基于功率系统架构10选择或配置的期望功率或（一个或多个）电气负载20的电气需要或（一个或多个）基于电气负载20的电气需要。
图2图示了模块化功率电子转换系统组件22的集合，其能被选择性地提供为图1的模块化功率电子转换系统14的一部分。如所示，模块化功率电子转换系统组件22的集合能包括DC输出或组合DC输出/电磁干扰（EMI）模块24、公共功率模块26、AC输出或组合AC输出/EMI模块28和激励器功率模块30。
DC输出/EMI模块24能包括配置为接收DC功率输入的功率输入引线32的集合、通信引线34或通信端口、以及配置为提供DC功率输出的功率输出引线36的集合。DC输出/EMI模块24还能包括功率过滤元件的集合，包括但不限于布置在电连接的功率输入引线32与功率输出引线36之间的电感器38、电容器40、电磁干扰过滤器、电磁干扰保护、扼流圈、变压器或它们的组合等等。功率过滤元件能被选择性地配置为、布置为或提供为实现在功率输入引线32处接收的功率的EMI过滤或电流、电压或功率过滤，并且将过滤的功率提供到功率输出引线36。
DC输出/EMI模块24例如还能包括在功率输入引线32与功率输出引线36之间电气串联的电流传感器42或电压传感器44，它们被分别配置为感测或测量在输入引线32到输出引线36之间输送的电流或者在输出引线36处的电压。电流传感器42或电压传感器44能被配置为向通信信道46、通信总线或与通信引线34连接的通信线路提供相应的感测或测量。在这个意义上，电流传感器42或电压传感器44能向通信引线34提供相应的测量。
公共功率模块26能包括第一功率输入/输出48、第二功率输入/输出50和至少一个通信引线34，图示为两个通信引线34。第一功率输入/输出48能包括配置为提供或接收三相或四相AC功率的功率引线的集合，并且第二功率输入/输出50能包括配置为提供或接收DC功率的功率引线的集合。在一个示例配置中，四相功率能包括三个AC相和中性相。第二功率输入/输出50能包括配置为提供或接收DC功率的功率引线的集合。
转换器52能被设置在第一功率输入/输出48和第二功率输入/输出50之间，并且能包括晶体管桥54或具有可控晶体管56的集合的功率桥。转换器52、晶体管桥54或可控晶体管56的集合能与栅极驱动器57通信地耦合，并且能响应于从栅极驱动器57接收栅极驱动信号而被控制。转换器52、晶体管桥54或可控晶体管56的集合能响应于栅极驱动信号而操作以将诸如在第一功率输入/输出48或第二功率输入/输出50中的一个处接收的功率的第一功率转换成提供给第一功率输入/输出48或第二功率输入/输出50中另一个的第二功率。第一功率或第二功率的非限制示例能包括在400Hz的115伏特AC、正或负270伏特DC或者在60Hz的120伏特AC。
公共功率模块26还能包括具有处理器60和存储器62的控制器模块58。存储器62能存储用于操作栅极驱动器57、转换器52或模块化功率电子转换系统组件22的集合的可操作控制配置文件（profile）或程序的集合。存储器62能包括随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、闪存或一种或多种不同类型的便携式电子存储器，诸如盘、DVD、CD-ROM等，或这些类型存储器的任何合适的组合。控制器模块58能操作上与存储器62耦合，使得控制器模块58和存储器62中的一个能包括具有用于控制前述组件的操作或者操作相同组件的方法的可执行指令集的计算机程序的全部或一部分。该程序能包括计算机程序产品，计算机程序产品能包括用于携带或具有存储在其上的机器可执行指令或数据结构的机器可读介质。这种机器可读介质能是任何可用介质，其能由通用或专用计算机或具有处理器的其它机器存取。一般而言，此类计算机程序能包括具有执行具体任务或实现具体抽象数据类型的例程、程序、对象、组件、数据结构、算法等。
机器可执行指令、关联的数据结构和程序表示用于执行如本文所公开的信息交换的程序代码的示例。机器可执行指令能包括例如使通用计算机、专用计算机、控制器模块58或专用处理机器执行某种功能或某组功能的指令和数据。在实现中，功能能被转换为包括能由处理器60执行的可执行指令的集合的计算机程序。
公共功率模块还能包括例如对于与第一功率输入/输出48耦合的每个腿或功率的相的电流传感器42的集合或者与第二功率输入/输出50的电压输出耦合的电压传感器44。在这个意义上，分别地，电流传感器42的集合能被配置为感测或测量通过多腿或多相输入/输出引线48的对应集合输送的电流，或者电压传感器44能感测或测量在第二功率输入/输出引线50处的电压。电流传感器42或电压传感器44能被配置为向通信信道64、通信总线或与控制器模块58连接的通信线路提供相应的感测或测量。在这个意义上，电流传感器42或电压传感器44能向控制器模块58提供相应的测量。控制器模块58还能进一步与至少一个通信引线34通信地耦合。
作为非限制性示例，处理器60或控制器模块58能被配置为监测由作为相应电流传感器42或电压传感器44的转换器52、晶体管桥54或可控晶体管56的集合转换的并通过通信信道传递的功率。在本公开的另一方面，处理器60或控制器模块58还能被配置为监测具有至少一个电流传感器42或电压传感器44的模块化功率电子转换系统组件22的呼叫中的另一个的功率。例如，具有与相应传感器42、44连接并且进一步与公共功率模块26的通信引线34连接的通信信道46的模块化功率电子转换系统组件22的集合中的另一个能向处理器60或控制器模块58通信地提供传感器42、44的所感测或测量的值。处理器60或控制器模块58能进一步被配置为基于接收到的所感测或测量的值得集合或子集可控地操作模块化功率电子转换系统14、模块化功率电子转换系统组件22的集合或子集或者栅极驱动器57。
通过本公开的非限制性方面的另一方式，处理器60或控制器模块58还能被配置为向栅极驱动器57驱动、控制、生成或提供用于转换器52的晶体管桥54的栅极驱动信号，栅极驱动器57又能选择性地操作可控晶体管56的集合以操作晶体管桥54。比如，在本公开的一个非限制性配置中，公共功率模块26能被配置为接收在第二功率输入/输出50处的DC功率，并将接收到的DC功率转换为在具有三相AC功率和中性相腿的第一功率输入/输出48处的四腿输出。在此示例中，处理器60或控制器模块58能操作正弦波调制配置文件或程序或者空间向量调制配置文件或程序，使得晶体管桥54的切换向第一功率输入/输出48提供期望的四腿输出。在本公开的另一个非限制性配置中，公共功率模块26能被配置为接收在第一功率输入/输出48处的AC功率，并且将接收到的AC功率转换为在第二功率输入/输出50处的DC功率输出。在此示例中，处理器60或控制器模块58能操作整流配置文件或程序，使得晶体管桥54向第二功率输入/输出50提供期望的DC输出。
虽然公共功率模块26被示出并描述在第一功率输入/输出48处具有引线的四腿和四相集合，但是能包括本公开的各方面，其中公共功率模块26被配置、布置或者可控地操作为提供在第一功率输入/输出48处的引线的三腿或三相集合。例如，晶体管桥54的子集的可选布置（由虚线66图示）包括用于可控地操作输入/输出48的第四腿或第四引线的晶体管56的集合，以及配置为感测或测量穿过第四腿的电流的电流传感器42。能包括公共功率模块26的各方面，其中用于第四腿的可选组件66能被包括，能被栅极驱动器57、控制器模块58或处理器60中的至少一个选择性地启用或选择性地操作，或者能基于模块化功率电子转换系统14或功率系统架构10的具体实现选择性地可移除。在本公开的另一方面中，能包括多个公共功率模块26组件，其中公共功率模块26的第一版本包括第一功率输入/输出48的四腿或四相配置，而公共功率模块26的第二版本包括第一功率输入/输出48的三腿或三相配置。
AC输出/EMI模块28能包括配置为接收三相或四相AC功率输入的功率输入引线68的集合、通信引线34和配置为提供三相或四相AC功率输出的功率输出引线70的集合。AC输出/EMI模块28还能包括功率过滤元件的集合，包括但不限于布置在电连接的功率输入引线68与功率输出引线70之间的电感器38、电容器40、电磁干扰过滤器、电磁干扰保护、扼流圈、变压器或它们的组合等等。功率过滤元件能被选择性地配置为、布置为或提供为实现在功率输入引线68处接收的功率的EMI过滤或电流、电压或功率过滤，并且将过滤的功率提供到功率输出引线70。
AC输出/EMI模块28例如还能包括在功率输入引线68与功率输出引线70之间电气串联的电流传感器42或电压传感器44的集合，它们被分别配置为感测或测量在输入引线68到输出引线70之间输送的电流或者在输出引线70处的电压。电流传感器42或电压传感器44能被配置为向通信信道46、通信总线或与通信引线34连接的通信线路提供相应的感测或测量。在这个意义上，电流传感器42或电压传感器44能向通信引线34提供相应的测量。
类似于公共功率模块26，能包括AC输出/EMI模块28的各方面，其中可选的布置（用虚线轮廓72示出）能包括用于第四腿或第四相的功率过滤元件的子集以及用于第四腿的电流传感器42或电压传感器44。能包括AC输出/EMI模块28的各方面，其中用于第四腿的可选组件72能被包含，能被选择性地启用或选择性地操作，或者能基于模块化功率电子转换系统14或功率系统架构10的具体实现选择性地可移除。在本公开的另一方面中，能包括多个AC输出/EMI模块28组件，其中AC输出/EMI模块28的第一版本包括四腿或四相配置，而AC输出/EMI模块28的第二版本包括三腿或三相配置。如所示，能包括具有第四腿的AC输出/EMI模块28的各方面，其中第四腿定义中性连接或接地连接或者与之电耦合。
激励器功率模块30能包括配置为接收DC功率的功率输入引线74、配置为提供三相功率的功率输出引线76、以及至少一个通信引线34。转换器78能被设置在功率输入引线74和功率输出引线76之间，并且能包括晶体管桥80或具有可控晶体管82的集合的功率桥。转换器78、晶体管桥80或可控晶体管82的集合能与栅极驱动器84通信地耦合，并且能响应于从栅极驱动器84接收栅极驱动信号而被控制。转换器78、晶体管桥80或可控晶体管82的集合能响应于栅极驱动信号而操作，以将第一功率（诸如在功率输入引线74处接收的DC功率）转换为提供给功率输出引线76的第二功率。栅极驱动器84能进一步与通信引线34通信地耦合。在一个非限制性示例配置中，栅极驱动器84、转换器78、晶体管桥80或可控晶体管82的集合的操作能被配置为生成、感应、驱动或引导发电机或起动机/发电机（未示出）的激励器转子。
在此示例中，当激励器功率模块30与发电机或起动机/发电机耦合时，激励器功率模块30能经由激励器定子绕组的集合的受控激励来生成、感应、驱动或引导激励器转子。例如通过栅极驱动器84生成、感应驱动或引导激励器定子绕组能操作以进一步控制由发电机或起动机/发电机提供的相、电压、电流或功率，诸如当发电机或起动机/发电机操作为功率系统架构10的功率源时。在本公开的另一个非限制性方面中，栅极驱动器84能与公共功率模块26的控制器模块58或处理器60通信地耦合，并且存储器62还能存储用于操作栅极驱动器84的可操作控制配置文件或程序的集合。在这个意义上，处理器60或控制器模块58能通信地提供、控制、操作或指示栅极驱动器84驱动、控制、生成或提供用于转换器78的晶体管桥80的栅极驱动信号，其又能根据发电机激励配置文件或程序选择性地操作可控晶体管82的集合以操作晶体管桥80。发电机激励配置文件或程序能可控地将在功率输入引线74处接收到的DC功率转换为提供给功率输出引线76的激励AC功率。
激励器功率模块30还能包括例如在功率输入引线74与功率输出引线76之间电气串联的电流传感器42或电压传感器44的集合，它们被分别配置为感测或测量在输入引线74到输出引线76之间输送的电流或者在输出引线76处的电压。电流传感器42或电压传感器44能被配置为例如通过栅极驱动器84向通信引线34提供相应的感测或测量。在这个意义上，电流传感器42或电压传感器44能向通信引线34提供相应的测量。
虽然模块化功率电子转换系统模块化功率电子转换系统组件22的集合被图示具有连接在对应左侧或右侧上的具体输入或输出，但是组件22的配置能以镜像布置包括。在这个意义上，图示的输入/输出和左/右配置仅仅是为了理解而图示的一种配置，并且设想了在相对的右/左手侧具有相反的输入或输出连接的附加配置。
能包括模块化功率电子转换系统14的各方面，其中模块化功率电子转换系统组件22的集合或子集能选择性地配置为或布置为提供用于在功率系统架构10中的功率转换。能包括本公开的另外方面，其中DC输出/EMI模块24的DC功率输入引线32能被配置为选择性地与公共功率模块26的DC第二功率输入/输出连接。能包括本公开的又一些附加方面，其中公共功率模块26的AC第一功率输入/输出48能被配置为选择性地连接到以下中的一个：AC输出/EMI模块28的AC功率输入引线68、另一个公共功率模块26的AC第一功率输入/输出48、或功率源12的AC输出。在本公开的又一方面，激励器功率模块30的DC功率输入引线74能被配置为选择性地与公共功率模块26的DC第二功率输入/输出50连接。在这个意义上，模块化功率电子转换系统14能包括至少一个公共功率模块26以及以下中的至少一个以组装功率系统架构10：DC输出/EMI模块24、AC输出/EMI模块28或激励器功率模块30的编组。
图3图示了本公开的一个方面，其中模块化功率电子转换系统组件的子集被布置为用于功率系统架构110的模块化功率电子转换系统114。在此非限制性配置中，模块化功率电子转换系统114被布置为可操作为用于DC输出起动机/发电机的逆变器/转换器。在此非限制性配置的另一方面中，模块化功率电子转换系统114被布置为可操作为用于DC输出发电机的转换器。如所示，功率源12能包括具有配置为生成三相功率（L1、L2和L3）并将其提供给模块化功率电子转换系统114的输入16的主机器定子绕组的发电机86或起动机/发电机。三相功率能从模块化功率电子转换系统114的输入16供应给公共功率模块26的第一功率输入/输出48。
模块化功率电子转换系统114能进一步选择性地配置为将DC输出/EMI模块24的功率输入引线32连接到公共功率模块26的第二功率输入/输出50。DC输出/EMI模块24的功率输出引线36能进一步与模块化功率电子转换系统114的输出18连接，并且最终与电气负载20连接。
激励器功率模块30的功率输入引线74还能连接到公共功率模块26的第二功率输入/输出50，与DC输出/EMI模块24电并联。激励器功率模块30的功率输出引线76能进一步与发电机86或起动机/发电机的激励器绕组（L4、L5和L6）的集合连接。在此意义上，本公开的各方面能提供用于或实现AC到DC功率转换器，或配置用于发电机86或起动机/发电机的AC输出功率系统架构310。
在本公开的另一方面中，激励器功率模块30能通过连接相应的通信引线34与公共功率模块26通信地耦合，并且DC输出/EMI模块24能通过连接相应的通信引线34与公共功率模块26通信地耦合。
图示的模块化功率电子转换系统114的各方面能操作为转换器，以将由发电机86生成的AC输出转换成适合于电气负载20的DC输出18。例如，公共功率模块26能从发电机86接收三相功率，并将接收到的功率整流为提供给第二功率输入/输出50的DC功率。整流能通过晶体管桥54、栅极驱动器57、控制器模块58、处理器60、存储在存储器62中的整流程序或配置文件、或者它们的组合来完成或实现。如本文所述，提供给第二功率输入/输出50的DC功率能被供应给DC输出/EMI模块24以用于过滤，并且最终提供给电气负载20。
由第二功率输入/输出50提供的DC功率的子集能被供应给激励器功率模块30，以经由激励器定子绕组（L4、L5、L6）的集合的受控激励来生成、感应、驱动或引导激励器转子，以进一步控制由发电机86或起动机/发电机提供的相、电压、电流或功率，如本文所说明的。在本公开的一个非限制性方面中，包含在模块化功率电子转换系统组件24、26、30中的各种电流传感器42或电压传感器44能通过通信引线34将感测的或测量的电流或电压值提供给公共功率模块26的控制器模块58或处理器60。在这个意义上，控制器模块58或处理器60能确保由发电机86、起动机/发电机提供给模块化功率电子转换系统114的功率的期望电气特性或者提供给电气负载20的功率的电气特性符合预期、期望、容差等。在电气特性不符合预期等的情况下，控制器模块58或处理器60例如能控制激励器功率模块30的栅极驱动器84以实现发电机86或起动机/发电机的功率生成。在电特性不符合预期等的另一种情况下，控制器模块58或处理器60例如能控制公共功率模块26的栅极驱动器57以按所需要的来更改晶体管桥54操作。能包括本公开的各方面，其中控制激励器功率模块30的栅极驱动器84和控制公共功率模块26的栅极驱动器57的组合能被利用于确保电气特性符合预期。
虽然公共功率模块26被图示具有三相第一功率输入/输出48，但是能包括本公开的非限制性方面，其中例如能包括四相第一功率输入/输出48，以匹配另一个发电机86或起动机/发电机的四相功率生成。此外，能包括本公开的各方面，其中图示的模块化功率电子转换系统114能操作为用于起动机/发电机的起动逆变器，其中能向公共功率模块26或激励器功率模块30提供功率的供应以起动所述起动机/发电机的操作。
图4图示了本公开的另一个方面，其中模块化功率电子转换系统组件的子集被布置为用于功率系统架构210的模块化功率电子转换系统214。在此非限制性配置中，模块化功率电子转换系统214被布置为可操作为AC到DC转换器。如所示，功率源12能包括三相AC功率源88，其比如能包括壁式功率源（wall power）、发电机等。如所示，三相AC功率源88能被配置为生成三相功率（L1、L2和L3）并将其提供给模块化功率电子转换系统214的输入16。三相功率能从模块化功率电子转换系统214的输入16提供给公共功率模块26的第一功率输入/输出48。
模块化功率电子转换系统214能进一步选择性地配置为将DC输出/EMI模块24的功率输入引线32连接到公共功率模块26的第二功率输入/输出50。DC输出/EMI模块24的功率输出引线36能进一步与模块化功率电子转换系统214的输出18连接，并且最终与电气负载20连接。在此意义上，本公开的各方面能提供用于或启用AC到DC功率转换器。在本公开的另一方面中，DC输出/EMI模块24能通过连接相应的通信引线34与公共功率模块26通信地耦合。
图示的模块化功率电子转换系统214的各方面能操作为转换器，以将由三相AC功率源88生成的AC输出转换成适合于电气负载20的DC输出18。例如，公共功率模块26能从功率源88接收三相功率，并将接收到的功率整流为提供给第二功率输入/输出50的DC功率。整流能通过晶体管桥54、栅极驱动器57、控制器模块58、处理器60、存储在存储器62中的整流程序或配置文件或者它们的组合来完成或实现。如本文所述，提供给第二功率输入/输出50的DC功率能被供应给DC输出/EMI模块24以用于过滤，并且最终提供给电气负载20。
在本公开的一个非限制性方面中，包括在模块化功率电子转换系统组件24、26中的各种电流传感器42或电压传感器44能通过通信引线34将感测的或测量的电流或电压值提供给公共功率模块26的控制器模块58或处理器60。在这个意义上，控制器模块58或处理器60能确保由三相AC功率源88、起动机/发电机提供给模块化功率电子转换系统214的功率的期望电气特性、或者提供给电气负载20的功率的电气特性符合预期、期望、容差等。在电特性不符合预期等的情况下，控制器模块58或处理器60例如能控制公共功率模块26的栅极驱动器57以按所需要的更改晶体管桥54操作以确保电气特性符合预期。
虽然公共功率模块26被图示具有三相第一功率输入/输出48，但是能包括本公开的非限制性方面，其中例如能包括四相第一功率输入/输出48，以匹配四相AC功率源88的四相功率生成。
图5图示了本公开的又一个方面，其中模块化功率电子转换系统组件的子集被布置为用于功率系统架构310的模块化功率电子转换系统314。在此非限制性配置中，模块化功率电子转换系统314被布置为可操作为用于AC输出起动机/发电机的逆变器/转换器。在此非限制性配置的另一方面中，模块化功率电子转换系统314被布置为可操作为用于AC输出发电机的转换器/逆变器。如所示，功率源12能包括具有配置为生成三相功率（L1、L2和L3）并将其提供给模块化功率电子转换系统314的输入16的主机器定子绕组的发电机86或起动机/发电机。三相功率能从模块化功率电子转换系统314的输入16供应给第一公共功率模块26的第一功率输入/输出48。
模块化功率电子转换系统314能进一步选择性地配置为将第二公共功率模块326的第二功率输入/输出50连接到第一公共功率模块326的第二功率输入/输出50。如图示的，第一公共功率模块26能具有配置为从发电机86接收三相AC功率的第一功率输入/输出48，而第二公共功率模块326能具有配置为提供四相AC功率的第一功率输入/输出48。第二公共功率模块326的四相第二功率输入/输出48能与AC输出/EMI模块28的功率输入引线68连接。AC输出/EMI模块28的功率输出引线70能进一步与模块化功率电子转换系统314的输出18连接，并且最终与电气负载20连接。
激励器功率模块30的功率输入引线74还能连接到第一公共功率模块26的第二功率输入/输出50，与第二公共功率模块326电并联。激励器功率模块30的功率输出引线76能进一步与发电机86或起动机/发电机的激励器绕组（L4、L5和L6）的集合连接。在此意义上，本公开的各方面能提供用于或实现AC到AC功率转换器，或配置用于发电机86或起动机/发电机的AC输出功率系统架构310。
在本公开的另一方面中，激励器功率模块30能与第一公共功率模块26或第二公共功率模块326中的至少一个通信地耦合，公共功率模块26、326能通信地耦合，并且AC输出/EMI模块28能通过连接相应的通信引线34而与第一公共功率模块26或第二公共功率模块326中的至少一个通信地耦合。在本公开的一个非限制性方面中，通信地耦合能包括在串联连接的模块化组件之间的级联连接。
图示的模块化功率电子转换系统314的各方面能操作为转换器，以将由发电机86生成的三相AC输出转换成适合于电气负载20的四相输出18。例如，第一公共功率模块26能从发电机86接收三相功率，并将接收到的功率整流为提供给第二功率输入/输出50的DC功率。整流能通过晶体管桥54、栅极驱动器57、控制器模块58、处理器60、存储在存储器62中的整流程序或配置文件或者它们的组合来完成或实现。提供给第二功率输入/输出50的DC功率能被供应给第二公共功率模块326的第二功率输入/输出50，以用于逆变为提供给第一功率输入/输出48的四相AC功率。逆变能通过晶体管桥54、栅极驱动器57、控制器模块58、处理器60、存储在存储器62中的逆变程序或配置文件、或者它们的组合来完成或实现。如本文所描述的，逆变的四相功率然后能从第二公共功率模块326的第一功率输入/输出48供应给AC输出/EMI模块28的功率输入引线68以用于过滤，并且最终提供给电气负载20。
由第一公共功率模块26的第二功率输入/输出50提供的DC功率的子集能被供应给激励器功率模块30，以经由激励器定子绕组（L4、L5、L6）的集合的受控激励来生成、感应、驱动或引导激励器转子，以进一步控制由发电机86或起动机/发电机提供的相、电压、电流或功率，如本文所说明的。在本公开的一个非限制性方面中，包含在模块化功率电子转换系统组件26、28、30、326中的各种电流传感器42或电压传感器44能通过通信引线34将感测的或测量的电流或电压值提供给第一公共功率模块26或第二公共功率模块326中的至少一个或二者的控制器模块58或处理器60。在这个意义上，控制器模块58或处理器60中的至少一个能确保由发电机86或起动机/发电机提供给模块化功率电子转换系统314的功率的期望电气特性或者提供给电气负载20的功率的电气特性符合预期、期望、容差等。在电气特性不符合预期等的情况下，控制器模块58或处理器60中的至少一个例如能控制激励器功率模块30的栅极驱动器84以实现发电机86或起动机/发电机的发电。在电特性不符合预期等的另一种情况下，控制器模块58或处理器60例如能控制第一公共功率模块26或第二公共功率模块326的或者两个公共功率模块26、326的栅极驱动器57以按所需要的来更改相应的晶体管桥54操作。能包括本公开的各方面，其中控制激励器功率模块30的栅极驱动器84和控制第一公共功率模块26或第二公共功率模块326的栅极驱动器57的组合能被利用与确保电气特性符合预期。
虽然第一公共功率模块26被图示具有三相第一功率输入/输出48，但是能包括本公开的非限制性方面，其中例如能包括四相第一功率输入/输出48，以匹配另一个发电机86或起动机/发电机的四相功率生成。此外，能包括本公开的各方面，其中四相第一公共功率模块26与四相第二公共功率模块326一起操作，以将在第一公共功率模块26的第一功率输入/输出48处接收的功率更改为在第二公共功率模块48的第一功率输入/输出48处提供的不同的四相功率。同样，本公开的各方面能包括如下配置：其中第一公共功率模块26接收三相功率的配置，该功率被更改为由第二公共功率模块326提供的不同的三相功率，或者其中第一公共功率模块26接收四相功率的配置，该功率被更改为由第二公共功率模块326提供的三相功率。在本公开的又一方面中，图示的模块化功率电子转换系统314能操作为用于起动机/发电机的起动逆变器，其中能向第一公共功率模块26或第二公共功率模块326中的至少一个或激励器功率模块30提供功率供应以起动所述起动机/发电机的操作。
图6图示了本公开的又一个方面，其中模块化功率电子转换系统组件的子集被布置为用于功率系统架构410的模块化功率电子转换系统414。在此非限制性配置中，模块化功率电子转换系统414被布置为可操作为AC到AC转换器。如所示，功率源12能包括配置为向模块化功率电子转换系统414的输入16提供三相功率（L1、L2和L3）的三相AC功率源88。三相功率能从模块化功率电子转换系统414的输入16供应给第一公共功率模块26的第一功率输入/输出48。
模块化功率电子转换系统414能进一步选择性地配置为将第二公共功率模块326的第二功率输入/输出50连接到第一公共功率模块326的第二功率输入/输出50。如图示的，第一公共功率模块26能具有配置为从三相AC功率源88接收三相AC功率的第一功率输入/输出48，而第二公共功率模块326能具有配置为提供四相AC功率的第一功率输入/输出48。第二公共功率模块326的四相第二功率输入/输出48能与AC输出/EMI模块28的功率输入引线68连接。AC输出/EMI模块28的功率输出引线70能进一步与模块化功率电子转换系统314的输出18连接，并且最终与电气负载20连接。在此意义上，本公开的方面能提供用于或启用AC到AC功率转换器。
在本公开的另一方面中，公共功率模块26、326能通信地耦合，并且AC输出/EMI模块28能通过连接相应的通信引线34而与第一公共功率模块26或第二公共功率模块326中的至少一个通信地耦合。在本公开的一个非限制性方面中，通信地耦合能包括在串联连接的模块化组件之间的级联连接。
图示的模块化功率电子转换系统414的各方面能操作为转换器，以将由三相AC功率源88生成的三相AC输出转换成适合于电气负载20的四相输出18。例如，第一公共功率模块26能从三相AC功率源88接收三相功率，并将接收到的功率整流为提供给第二功率输入/输出50的DC功率。整流能通过晶体管桥54、栅极驱动器57、控制器模块58、处理器60、存储在存储器62中的整流程序或配置文件或者它们的组合来完成或实现。提供给第二功率输入/输出50的DC功率能被供应给第二公共功率模块326的第二功率输入/输出50，以用于逆变为提供给第一功率输入/输出48的四相AC功率。逆变能通过晶体管桥54、栅极驱动器57、控制器模块58、处理器60、存储在存储器62中的逆变程序或配置文件或者它们的组合来完成或实现。如本文所描述的，逆变的四相功率然后能从第二公共功率模块326的第一功率输入/输出48供应给AC输出/EMI模块28的功率输入引线68以用于过滤，并且最终提供给电气负载20。
在本公开的一个非限制性方面中，包括在模块化功率电子转换系统组件26、28、326中的各种电流传感器42或电压传感器44能通过通信引线34将感测的或测量的电流或电压值提供给第一公共功率模块26或第二公共功率模块326中的至少一个或二者的控制器模块58或处理器60。在这个意义上，控制器模块58或处理器60中的至少一个能确保由三相AC功率源88提供给模块化功率电子转换系统414的功率的期望电气特性或者提供给电气负载20的功率的电气特性符合预期、期望、容差等。在电特性不符合预期等的情况下，控制器模块58或处理器60中的至少一个例如能控制第一公共功率模块26或第二公共功率模块326的或者两个公共功率模块26、326的栅极驱动器57以按所需要的来更改相应的晶体管桥54操作。
虽然第一公共功率模块26被图示具有三相第一功率输入/输出48，但是能包括本公开的非限制性方面，其中例如能包括四相第一功率输入/输出48，以匹配另一个发电机86或起动机/发电机的四相功率生成。此外，能包括本公开的各方面，其中四相第一公共功率模块26与四相第二公共功率模块326一起操作，以将在第一公共功率模块26的第一功率输入/输出48处接收的功率更改为在第二公共功率模块48的第一功率输入/输出48处提供的不同的四相功率。同样，本公开的各方面能包括如下配置：其中第一公共功率模块26接收三相功率的配置，该功率被更改为由第二公共功率模块326提供的不同的三相功率，或者其中第一公共功率模块26接收四相功率的配置，该功率被更改为由第二公共功率模块326提供的三相功率。在本公开的又一方面中，图示的模块化功率电子转换系统414能操作为用于起动机/发电机的起动逆变器，其中能向第一公共功率模块26或第二公共功率模块326中的至少一个或激励器功率模块30提供功率供应以起动所述起动机/发电机的操作。
图7图示了演示如本文所描述的组装功率系统架构10的方法500的流程图。方法500开始于在步骤502例如基于一个或更多个电气负载20、可用的功率源12或它们的组合的期望电气特性来确定功率系统架构10设计。例如，在本公开的一个非限制性方面中，一个或更多个电气负载20的期望电气特性能包括期望的DC功率输出、期望的三相功率输出或期望的四相功率输出中的至少一个。
接下来，方法500包括基于所确定的功率系统架构设计10将具有DC第二功率输入/输出50和AC第一功率输入/输出48的公共功率模块26连接到以下中的至少一个：具有DC功率输入引线32的第一集合和DC功率输出引线36的集合的DC输出模块24、具有AC功率输入引线68的集合和AC功率输出引线70的第一集合的AC输出模块28或具有DC功率输入引线74的第二集合和AC功率输出引线76的第二集合的激励器功率模块30。
所描绘的序列仅用于说明性目的，并不意味着以任何方式限制方法500，因为要理解，该方法的各部分能以不同的逻辑次序进行，能包括附加或中间部分，或者方法的所描述部分能被分成多个部分，或者方法所描述的部分能被省略，而不从所描述的方法偏离。例如，方法500能包括由公共功率模块26例如通过各种输入或输出连接或者通过（一个或多个）通信引线34检测至少一个其它连接的模块。方法500能进一步包括基于至少一个检测到的模块来操作功率电子转换系统架构。比如，在图3中图示的非限制性配置中，公共功率模块26或控制器模块中的至少一个能被配置为检测公共功率模块26与DC输出/EMI模块24或激励器功率模块30中的至少一个的连接。如本文所述，基于检测到的与相应模块24、30的连接，公共功率模块26能将功率系统架构110操作为用于DC输出起动机/发电机的逆变器/转换器或用于DC输出发电机的转换器。
除了上图中所示的之外的许多其它可能的实施例和配置是本公开所考虑的。在本公开的另一个非限制性示例实施例中，发电机能包括布置为在主机器输出处生成比所图示的更多或更少相功率的绕组的集合。例如，发电机能生成单相功率、两相功率、六相功率等。在本公开的这种实施例中，公共功率模块26、326能被配置为匹配所生成的功率相的数量（例如，被配置为将六相功率整流为DC功率的桥等）。
本文公开的方法提供用于配置或操作用于功率系统架构的模块化功率电子转换系统的方法和用于此的设备和方法。技术效果是，上述实施例实现了能够以若干布置或配置来布置模块化功率电子转换系统组件的集合或子集并且因此操作它们以按所需要的从功率源提供期望的功率输出的模块化功率电子转换系统的配置和操作。在以上公开中能实现的一个优点是，该方法和设备实现了如下的模块化功率电子转换系统组件的集合：它们能被布置或配置为操作为配置用于起动机/发电机的DC输出功率系统架构、配置用于发电机的DC输出功率系统架构、AC到DC功率转换器、配置用于起动机/发电机的AC输出功率系统架构、配置用于发电机的AC输出功率系统架构或者AC到AC功率转换器，不管三相AC功率输入如何。这允许例如在安装期间能配置为或布置为提供期望的功率输出（AC或DC，包括电压和频率特性）的模块化组件的公共集合，与基于输入功率和期望的输出功率预先配置的常规功率系统架构形成对比。从而，模块化功率组件的公共集合能被配置用于发电机或期望的功率输出的集合，并且在安装期间被当作是“现成的”组件，具有要应用的最少配置。
能实现的另一个优点是，通过利用模块化功率电子转换系统组件的公共集合，降低了设计、鉴定和维护组件的集合的成本，但该集合可广泛地应用于许多功率源和期望的功率输出。模块化解决方案允许降低客户或制造商的不重现和重现的成本，以及降低将较少的专用部件存储到库存的成本，允许降低维护飞行器的机群、交通工具、发电机或功率转换器系统的成本。
在尚未描述的方面来说，各种实施例的不同特征和结构能按所期望的彼此组合使用。一个特征未能在所有实施例中都图示出并不意味着被视为它不能，而是为了描述的简洁起见而这么做。从而，能按所期望的混合和匹配不同实施例的各种特征以形成新的实施例，无论新的实施例是否被明确描述。此公开涵盖本文描述的特征的组合或置换。
这个所写的说明书使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还能够使本领域任何技术人员都能够实践本发明，包括制作和使用任何装置或系统，并且执行任何合并的方法。本发明的可专利范围由权利要求书定义，并且能包括本领域技术人员想到的其它示例。如果这种其它示例具有不同于权利要求书的字面语言的结构元素，或者如果它们包括具有与权利要求书的字面语言无实质差别的等效结构元素，则它们意图在权利要求书的范围内。
Claims (20)
1.一种用于组装功率系统架构的模块化系统，包括：
公共功率模块，具有DC输入/输出和交流电（AC）输入/输出；以及
具有第一DC输入和DC输出的直流电（DC）输出模块或具有AC输入和第一AC输出的AC输出模块中的至少一个；
其中所述第一DC输入被配置为连接到所述DC输入/输出，或者所述AC输入/输出被配置为连接到以下中的一个：所述AC输入、第二公共功率模块的AC输入/输出或AC发电机输出。
2.如权利要求1所述的模块化系统，其中所述公共功率模块至少包括三脚功率桥和控制器模块，所述控制器模块与所述三脚功率桥通信地耦合，并配置为操作所述三脚功率桥成以进行以下中的至少一项：将在所述DC输入/输出接收的DC功率逆变为提供给所述AC输入/输出的AC功率，或者将在所述AC输入/输出接收的AC功率转换为提供给所述DC输入/输出的DC功率。
3.如权利要求2所述的模块化系统，其中所述公共功率模块包括与所述控制器模块耦合的第一通信端口和与所述控制器模块耦合的第二通信端口。
4.如权利要求3所述的模块化系统，其中所述DC输出模块包括第三通信端口和功率传感器，所述功率传感器被配置为感测提供给所述DC输出的功率，并且其中所述第三通信端口被配置为选择性地与所述第一通信端口或所述第二通信端口中的至少一个通信端口耦合。
5.如权利要求3所述的模块化系统，其中所述AC输出模块包括第四通信端口和功率传感器，所述功率传感器被配置为感测提供给所述第一AC输出的所述功率，并且其中所述第四通信端口被配置为选择性地与所述第一通信端口或所述第二通信端口中的所述至少一个通信端口耦合。
6.如权利要求3所述的模块化系统，进一步包括具有第二DC输入和第二AC输出的激励器功率模块，所述第二DC输入被配置为连接到所述DC输入/输出，并且其中所述激励器功率模块包括第五通信端口，其中所述第五通信端口被配置为选择性地与所述第一通信端口或所述第二通信端口中的至少一个通信端口耦合。
7.如权利要求1所述的模块化系统，其中所述公共功率模块包括四脚功率桥和控制器模块，所述控制器模块与所述四脚功率桥通信地耦合，并配置为操作所述四脚功率桥以进行以下中的至少一项：将在所述DC输入/输出接收的DC功率逆变为提供给所述AC输入/输出的四相AC功率，或者将在所述AC输入/输出接收的四相AC功率转换为提供给所述DC输入/输出的DC功率。
8.如权利要求1所述的模块化系统，进一步包括具有第二DC输入和第二AC输出的激励器功率模块，所述第二DC输入被配置为连接到所述DC输入/输出，并且其中所述激励器功率模块包括三脚功率桥，所述三脚功率桥被配置为操作作为逆变器的所述激励器功率模块以将在所述第二DC输入接收的DC功率逆变为提供给所述第二AC输出的三相激励器功率信号。
9.如权利要求1所述的模块化系统，其中所述DC输出模块或所述AC输出模块中的至少一个被配置为提供电磁干扰保护。
10.如权利要求1所述的模块化系统，其中所述功率系统架构能包括以下中的至少一个：配置用于起动机/发电机的DC输出功率系统架构、配置用于发电机的DC输出功率系统架构、AC到DC功率转换器、配置用于起动机/发电机的AC输出功率系统架构、配置用于发电机的AC输出功率系统架构或者AC到AC功率转换器。
11.如权利要求10所述的模块化系统，其中配置用于起动机/发电机的所述DC输出功率系统架构或者配置用于发电机的所述DC输出功率系统架构中的至少一个包括：一个公共功率模块，具有耦合到所述起动机/发电机功率输出或发电机功率输出的所述AC输入/输出；一个DC输出模块，其中所述第一DC输入与所述DC输入/输出耦合，并且进一步包括：激励器功率模块，具有被配置为第二DC输入和第二AC输出，所述第二DC输入连接到所述DC输入/输出，并且其中所述第二DC输入与所述DC输入/输出连接，并且所述第二AC输出与所述起动机/发电机或发电机的激励器定子连接。
12.如权利要求10所述的模块化系统，其中配置用于起动机/发电机的所述AC输出功率系统架构或者配置用于发电机的所述AC输出功率系统架构中的至少一个包括：第一公共功率模块，具有耦合到所述起动机/发电机功率输出或发电机功率输出的所述AC输入/输出；第二公共功率模块，具有耦合到所述第一公共功率模块的所述DC输入/输出的所述DC输入/输出；AC输出模块，具有耦合到所述第二公共功率模块的所述AC输入/输出的所述AC输入；以及一个激励器功率模块，具有第二DC输入，其中所述第二DC输入与所述DC输入/输出连接，并且所述第二AC输出与所述起动机/发电机或发电机的激励器定子连接。
13.一种组装功率电子转换系统架构的方法，包括：
确定功率电子转换系统架构设计；
基于确定的功率电子转换系统架构设计将具有DC输入/输出和AC输入/输出的公共功率模块连接到以下中的至少一个：具有第一DC输入和DC输出的DC输出模块、具有AC输入和第一AC输出的AC输出模块或者具有第二DC输入和第二AC输出的激励器功率模块；
由所述公共功率模块检测所述DC输出模块、所述AC输出模块或所述激励器功率模块中的所述至少一个；以及
基于所述至少一个检测到的模块操作所述功率电子转换系统架构。
14.如权利要求13所述的方法，其中确定功率电子转换系统架构设计包括确定由所述功率电子转换系统架构供应的期望功率，其中所述期望功率包括DC功率输出、三相AC功率输出或四相AC功率输出中的至少一个。
15.如权利要求14所述的方法，进一步包括：当所述期望功率是DC功率输出时，选择性地将所述公共功率模块的所述AC输入/输出连接到AC功率供应连接，并且将所述公共功率模块的所述DC输入/输出连接到所述DC输出模块的所述第一DC输入。
16.如权利要求14所述的方法，进一步包括：当所述期望功率是三相AC功率输出或四相AC功率输出中的至少一个时，选择性地将第一公共功率模块的所述AC输入/输出连接到AC功率供应连接，将所述第一公共功率模块的所述DC输入/输出连接到第二公共功率模块的所述DC输入/输出，并且将所述第二公共功率模块的所述AC输入/输出连接到所述AC输出模块的所述AC输入。
17.一种用于组装飞行器中的功率系统架构的模块化系统，包括：
DC输出模块，具有第一DC输入和DC输出；
公共功率模块，具有DC输入/输出和AC输入/输出；
AC输出模块，具有AC输入和第一AC输出；以及
激励器功率模块，具有第二DC输入和第二AC输出；
其中所述第一DC输入被配置为连接到所述DC输入/输出，所述AC输入/输出被配置为连接到所述AC输入、第二公共功率模块的AC输入/输出或AC发电机输出中的一个，所述第二DC输入被配置为连接到所述DC输入/输出；以及
其中所述公共功率模块以及所述DC输出模块、所述AC输出模块或所述激励器功率模块中的至少一个可选择性地可连接以组装以下中的至少一个：配置用于起动机/发电机的DC输出功率系统架构、配置用于发电机的DC输出功率系统架构、AC到DC功率转换器、配置用于起动机/发电机的AC输出功率系统架构、配置用于发电机的AC输出功率系统架构或者AC到AC功率转换器。
18.如权利要求17所述的模块化系统，其中所述公共功率模块至少包括三脚功率桥和控制器模块，所述控制器模块与所述三脚功率桥通信地耦合，并配置为操作所述三脚功率桥以进行以下中的至少一项：将在所述DC输入/输出接收的DC功率逆变为提供给所述AC输入/输出的AC功率，或者将在所述AC输入/输出接收的AC功率转换为提供给所述DC输入/输出的DC功率。
19.如权利要求17所述的模块化系统，其中所述公共功率模块包括与控制器模块耦合的第一通信端口。
20.如权利要求19所述的模块化系统，其中所述DC输出模块、所述AC输出模块和所述激励器功率模块具有配置为选择性地与所述第一通信端口耦合的对应通信端口。
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