CN114244112A - 一种适用于飞机供电的直流电源变换器及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于飞机供电的直流电源变换器，采用非隔离直流拓扑，将正负双极直流供电转换为稳定的单极直流电源，实现了输入和输出的共地连接，并实现了正负双极电源的平衡供电。本发明解决了在飞机供电系统中采用隔离变换器影响系统效率和功率密度、而非隔离变换器难以解决直流供电电源接飞机供电系统公共地的技术问题。
Description
技术领域
本发明属于航空电源领域，特别涉及了一种直流电源变换器。
背景技术
现代飞机的供电系统通常包含多种类型的电源，包括安装在机身内部的主电源(主发电机)、应急电源和飞机在地面/舰面检修维护和启动时所外接的外部面电源。随着飞机技术的革新和发展，现有的军用、民航飞机有着不同的供电体制(以下简称“电制”)，常用的包括28V低压直流供电系统、400Hz恒频交流供电系统、360-820Hz变频交流供电系统、270V高压直流供电系统以及由2种或多种电源种类组成的混合供电系统等。
在现代飞机机载电源系统中存在中频电源到高压直流电源的转换需求。在向多电/全电飞机发展的过程中，飞机供电系统采用恒频交流-高压直流混合供电系统或变频交流-高压直流混合供电系统是一种能够兼容高压直流供电和交流供电优点，使得飞机战术/技术性能优化的供电方案，具有重要的实用价值。将飞机交流发电机产生的变频或恒频交流电转换为高压直流电是该类型供电系统的一个关键组成环节。为解决交流电源和高压直流电源共用飞机机体为接地端问题，现有的大功率交流电源转换到高压直流电源可行的方案是采用变压整流器，但很显然，中频隔离的变压整流器体积重量十分可观，显著增加了供电系统的体积重量。虽然可以采用非隔离的自耦变压整流器或者基于功率电子变换的整流器将中频电源整流为直流电，但必须后接隔离型的直流电源变换器将整流器不接地的直流输出转换为可接地的高压直流电源。高频隔离的整流器或直流变换器的变压器既影响系统的电能变换效率又影响体积重量，同时这类变换器的桥式功率电路存在直通风险，存在可靠性较低问题。
考虑到交流电源中点接地，非隔离型整流器的输出实质上是双极性输出，即整流输出为中点电位与机体等电位的正、负双极输出直流电源。以115V/360-820Hz三相四线变频交流电源采用自耦变压整流器转换为直流电，其二个直流输出端子对飞机机壳的电位约为+135V和-135V。因此，前述需要将飞机交流电源变换为+270V直流电源的关键装置是将+/-135V双极直流电源转换为270V直流电源的高可靠性非隔离直流变换装置。
飞机在地面/舰面通电、检修和启动时采用外部电源供电,飞机外部电源(航空地面保障电源)也需要配合飞机所采用的电制，通过发电机或电能变换装置产生合适的电压供飞机使用。其中采用功率电子变换电源(直流变换器、静止变流器、变压整流器等)将电网或蓄电池电能变换为飞机所需供电电制，由于其静音、污染小等优点，得到越来越广泛的应用。采用高频电气隔离和模块化设计的飞机外部电源具有体积重量小、模块化程度高、输出可灵活组合、使用维护简便和可靠性高等特点，具有很好的应用前景。在这种系统中高压直流电源同样存在和非隔离的中频电源共地的问题，即存在将为逆变器供电的双极性电源(前级高频隔离模块电源的输出)转换为与逆变器共地的高压直流电源问题。同机载电源需求一样，采用非隔离的直流变换器也可显著降低飞机外部供电电源的体积重量和提高其可靠性。
综上所述，研究一种能够将整流器或变换器输出的不接地直流电源转换为可接地的直流电源的高可靠性、高效率和高功率密度变换器电路具有重要的意义和价值。
发明内容
为了解决上述背景技术提到的非隔离拓扑难以处理母线中点与输出负端共地并系统接地的问题，本发明提出了一种适用于飞机供电的直流电源变换器及其控制方法。
为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：
一种适用于飞机供电的直流电源变换器，包括第一输入电容，第二输入电容，第一开关管，第二开关管，第一电感，第二电感，第一二极管，第二二极管以及输出电容；
所述直流电源变换器采用非隔离直流拓扑，所述非隔离直流拓扑包括输入正端a，输入中点c，输入负端b，输出正端d以及输出负端e；其中输入中点c和输出负端e为同一点，它们作为飞机供电系统的接地端，也是直流供电系统的负端，也是交流供电系统的中线；
第一输入电容的正端接输入正端a，第一输入电容的负端接输入中点c，第二输入电容的正端接输入中点c，第二输入电容的负端接输入负端b，第一电感的一端接输入正端a，第一电感的另一端接第一开关管的高端和第一二极管的阳极，第二电感的一端接输入中点c，第二电感的另一端接第二开关管的高端和第二二极管的阳极，第一二极管的阴极接输出电容的正端，第二二极管的阴极接输出电容的正端，输出电容的正端也即输出正端d，第一开关管的低端和输出电容的负端接输出负端e，第二开关管的低端接输入负端b。
基于上述直流电源变换器的控制方法，通过产生一个固定开关频率的控制信号施加至第一开关管的控制端，使得第一开关管有导通和关断两个工作状态；当第一开关管导通时，第一二极管反偏截止，开关管电流便通过第一电感进行储能；当第一开关管关断时，由于第一电感的电流不能突变，使第一二极管强制导通，此时第一电感将储存的磁能转换成电能供给输出，并同时向输出电容充电；
通过产生另一个固定开关频率的控制信号施加至第二开关管的控制端，使得第二开关管有导通和关断两个工作状态；当第二开关管导通时，第二二极管反偏截止，开关管电流便通过第二电感进行储能；当第二开关管关断时，由于第二电感的电流不能突变，使第二二极管强制导通，此时第二电感将储存的磁能转换成电能供给输出，并同时向输出电容充电。
进一步地，所述第一开关管和第二开关管分别采用2个协同工作的控制环路独立控制；第一开关管的控制信号由输出电压和第一电感电流双闭环控制产生，直流电源变换器的输出电压与基准电压进行比较，并采用第一PI调节器进行稳压控制，将第一PI调节器的输出作为第一电感电流调节环的参考，与第一电感电流的平均值进行比较并通过第二PI调节器产生第一开关管的脉宽调制电路的调制波信号；第二开关的控制信号由输入电容电压压差和第二电感电流双闭环控制，第一输入电容和第二输入电容的端电压差与0进行比较，并采用第三PI调节器进行无稳态误差控制，将第三PI调节器的输出作为第二电感电流调节环的参考，与第二电感电流的平均值进行比较并通过第四PI调节器产生第二开关管的脉宽调制电路的调制波信号。
进一步地，所述第一电感电流双闭环和第二电感电流双闭环中的电流内环采用的控制方式包括电流平均值控制、峰值电流控制以及滞环电流控制。
采用上述技术方案带来的有益效果：
本发明设计的变换器采用非电气隔离功率变换电路，将正负双极直流供电转换为稳定的单极直流电源，实现了输入和输出的共地连接；同时，采用二个开关管的协同控制实现了输出电压的稳定，并实现输入电压的均衡，即实现了双极直流输入电源的平衡供电。本发明解决了在飞机供电系统中采用隔离变换器影响系统效率和功率密度，而非隔离变换器难以解决直流供电电源接飞机供电系统公共地的技术问题。
附图说明
图1为直流电源变换器的原理图；
图2为直流电源变换器的控制框图；
图3为多通道交错组合式的直流电源变换器电路示意图。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。
如图1所示，电源输入母线通过两个串联电容C1和C2分成上下两个部分，输入电容C1、电感L1、开关管S1、二极管D1、输出电容C3组成一个能量传输电路；输入电容C2、电感L2、开关管S2、二极管D2、输出电容C3组成另一个能量传输通路。形成了两个能量传输电路输入串联、输出并联的新型组合式电路结构。本实施例开关管选用高频场效应管(MOSFET)。
根据两个开关管的状态，电路一共有四种不同的工作模态，包括：S1和S2同时导通，S1和S2同时关断，S1开通/S2关断，S1关断/S2开通。由于两个电路完全独立，S1和S2的开通和关断间不存在特别的约束关系，即二个开关管的开关频率、开关时刻完全由其对应的控制电路产生。以下进行详细描述。
当控制电路产生一个高电平控制信号施加至开关管S1的控制端时，开关管导通，二极管D1反偏截止，开关管电流便通过电感L1进行储能(电能转换成磁能)，此时输出电容C3中的能量向负载供电；当控制电路使开关管关断时，由于电感L1的电流不能突变，所以使二极管D1强制导通，此时电感L1便把原先储存的磁能转换成电能供给输出，并同时向输出电容C3充电。
当控制电路产生一个高电平控制信号施加至开关管S2的控制端时，开关管导通，二极管D2反偏截止，开关管电流便通过电感L2进行储能(电能转换成磁能)，此时输出电容C3中的能量向负载供电；当控制电路使开关管S2关断时，由于电感L2的电流不能突变，所以使二极管D2强制导通，此时电感L2便把原先储存的磁能转换成电能供给输出，并同时向输出电容C3充电。
本发明所述的适用于飞机供电系统的直流电源变换器的两个开关管需要协同控制，以保证电路的正常工作和保证双极输入电源的平衡供电。变换器控制电路通过控制S1实现输出电压的稳定，通过控制S2实现两组输入电容的电压均衡。输入电容C1和输入电容C2串联为输入滤波电容，分别为两组电路的输入端，S1将输入电容C1提供的电能变换为输出供电，将导致输入电容C1电压降低，输入电容C2电压升高；而S2将输入电容C2电压进行变换至输出电压，通过控制输入电容电压uC2与电容电压uC1一致，能够保证双极性电源的均衡供电。
由图2电路的控制框图可以看出，S1和S2两个开关管的控制回路是相互独立，同时又是协同工作的。S1的控制方式为输出电压外环和电感电流内环双环控制，通过采样输出电压，与基准电压进行误差比较，并通过比例-积分(PI)调节电路产生电感L1电流控制基准，利用电感电流内外改善闭环控制稳定性和动态性能，电感电流内外的输出经过载波交截后产生开关S1的脉宽调制(PWM)控制信号，并经过驱动电路后控制S1开通和关断。S2的控制方式也为电压电流双闭环控制，其电压控制环采样母线电容C1和C2的电压uC1和uC2，对两个电压进行比较，并通过比例-积分(PI)调节电路输出误差信号作为电感L2的电流控制基准，电感电流内环的输出经过载波产生开关S2的脉宽调制(PWM)控制信号，并经过驱动电路后控制S2开通和关断。
图2中所示的电流内环采用了电流平均值控制方式，类似于其他直流变换器的控制，电感电流内环也可以采用峰值电流控制方式或滞环电流控制方式。
在变换器正常工作和稳态下，输入母线电容电压均衡uC1＝uC2。忽略寄生参数，根据电感伏秒分析法，当二个电感的电流连续时，有：
式(1)和式(2)是变换器设计的基本公式。两个开关管的占空比DS1和DS2确定了各个功率器件的电压。根据飞机电源相关标准，功率开关可以选用600V等级CoolMOS器件，这为采用较高开关频率以提高变换器的功率密度奠定了扎实的基础。
由图1的电路可见，该电路中不存在S1和S2的直通问题，电路的工作可靠性高。并且，如图3所示，能量传输通路1可以采用多功率器件交错电路(图中为三组交错)，能量传输通路2也可以采用多功率器件交错电路(图中为三组交错)，能够提高变换器的等效开关频率，可以进一步地减小磁性元件体积重量、提高变换器可靠性和动态特性。
实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。
Claims (5)
1.一种适用于飞机供电的直流电源变换器，其特征在于：包括第一输入电容，第二输入电容，第一开关管，第二开关管，第一电感，第二电感，第一二极管，第二二极管以及输出电容；
所述直流电源变换器采用非隔离直流拓扑，所述非隔离直流拓扑包括输入正端a，输入中点c，输入负端b，输出正端d以及输出负端e；其中输入中点c和输出负端e为同一点，它们作为飞机供电系统的接地端，也是直流供电系统的负端，也是交流供电系统的中线；
第一输入电容的正端接输入正端a，第一输入电容的负端接输入中点c，第二输入电容的正端接输入中点c，第二输入电容的负端接输入负端b，第一电感的一端接输入正端a，第一电感的另一端接第一开关管的高端和第一二极管的阳极，第二电感的一端接输入中点c，第二电感的另一端接第二开关管的高端和第二二极管的阳极，第一二极管的阴极接输出电容的正端，第二二极管的阴极接输出电容的正端，输出电容的正端也即输出正端d，第一开关管的低端和输出电容的负端接输出负端e，第二开关管的低端接输入负端b。
2.根据权利要求1所述直流电源变换器，其特征在于：所述第一开关管和第二开关管采用高频场效应管。
3.基于权利要求1所述直流电源变换器的控制方法，其特征在于：通过产生一个固定开关频率的控制信号施加至第一开关管的控制端，使得第一开关管有导通和关断两个工作状态；当第一开关管导通时，第一二极管反偏截止，开关管电流便通过第一电感进行储能；当第一开关管关断时，由于第一电感的电流不能突变，使第一二极管强制导通，此时第一电感将储存的磁能转换成电能供给输出，并同时向输出电容充电；
通过产生另一个固定开关频率的控制信号施加至第二开关管的控制端，使得第二开关管有导通和关断两个工作状态；当第二开关管导通时，第二二极管反偏截止，开关管电流便通过第二电感进行储能；当第二开关管关断时，由于第二电感的电流不能突变，使第二二极管强制导通，此时第二电感将储存的磁能转换成电能供给输出，并同时向输出电容充电。
4.根据权利要求3所述控制方法，其特征在于：所述第一开关管和第二开关管分别采用2个协同工作的控制环路独立控制；第一开关管的控制信号由输出电压和第一电感电流双闭环控制产生，直流电源变换器的输出电压与基准电压进行比较，并采用第一PI调节器进行稳压控制，将第一PI调节器的输出作为第一电感电流调节环的参考，与第一电感电流进行比较并通过第二PI调节器产生第一开关管的脉宽调制电路的调制波信号；第二开关的控制信号由输入电容电压压差和第二电感电流双闭环控制，第一输入电容和第二输入电容的端电压差与0进行比较，并采用第三PI调节器进行无稳态误差控制，将第三PI调节器的输出作为第二电感电流调节环的参考，与第二电感电流进行比较并通过第四PI调节器产生第二开关管的脉宽调制电路的调制波信号。
5.根据权利要求4所述控制方法，其特征在于：所述第一电感电流双闭环和第二电感电流双闭环中的电流内环采用的控制方式包括电流平均值控制、峰值电流控制以及滞环电流控制。
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| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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