JP2020518225A - 航空機用のヒステリシス制御方式dc−dc昇圧変換器 - Google Patents
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Abstract
Description
高出力密度は、小型の磁気学的要素と高効率性との組合せによって達成される。磁気学的要素は、金属製のコア材料と銅の巻線とで構成されているために、電力変換器の中では最も重い構成要素である。さらに、狭い空間に多くの電力を詰め込むことは、変換器が高効率性を有する必要があることを意味する。そうでないと、熱の発生が、熱を拒絶する能力を圧倒することになる。これは特に、空冷式の電力変換器の場合に当てはまる。空冷式の電力変換器では、熱を排除するために大きくて重いヒートシンクが必要となる。高出力密度を達成する1つの方法のブロック図を図13に示す。
磁気学的要素は、3つの方法で小型化することができる。第1に、トポロジ内の磁気構成要素の数。第2に、磁気構成要素を介して処理する電力が少ないトポロジを選択してもよい。第3に、磁気構成要素に蓄積されるエネルギーは、インダクタンスを減らすことで削減され得る。
変換器の損失を減らすことによって、効率を向上させる。変換器中の大部分の電力は、トランジスタおよび磁気学的要素で失われる。
好ましくは、DC−DC昇圧変換器は、いずれかの1つの構成要素の障害が、乗り物の推進システム全体を停止させることがないように、単一障害耐性になっている。障害許容度は完全な冗長性によって達成できるが、これによって、ほとんど使用されない、かなりの余分な重量を運ぶことになり得る。1つの方策は、障害が発生したときに、安全に移行、ホバリング、および着陸するのに十分な出力を維持しながら、変換器のピーク電力出力を低減させることであり得る。
回生制動をサポートするには、双方向の電力潮流が重要である。「シームレスな」双方向電力潮流という用語は、逆潮流に対する別個の制御モードがないことを意味する。もっと正確には、電力潮流の逆転は、単に公称変換器動作の連続的な拡張である。例えば、デューティサイクルが50パーセントを超える(>50%)と順潮流をもたらすことができ、デューティサイクルが50パーセント未満(<50%)になると逆潮流をもたらすことができる。あるいは、正の位相シフトは順潮流をもたらすことができ、負の位相シフトは逆潮流をもたらすことができる。一般に、双方向変換器はダイオードを備えるのではなく、その代わりに、同期整流に依存しており(例えば、ダイオードの代わりに金属酸化物半導体電界効果トランジスタ、すなわちMOSFETを使用)、この同期整流をオンにすると、導通損失が減少するが、逆潮流をも可能にする。大多数の変換器トポロジは、ダイオードを同期整流器に置き換え、場合によっては制御スキームをわずかに変更することによって、双方向トポロジに変換することができる。
上記の議論に基づいて、1つの好ましい変換器トポロジでは、次の方策の1つ以上を使用できる。すなわち、ソフトスイッチングおよび/または高バンドギャップトランジスタ、結合型磁気学的要素、低コア損失磁性材料、磁気学的要素の低AC電流リップルまたはリッツ線もしくは類似の線の使用、共有受動構成要素を用いたモジュール設計、あるいは双方向電力潮流の同期整流である。
変換器のトポロジには、次のものが含まれ得る。第1に、より高い昇圧とガルバニック絶縁とのための変圧器巻数比、および全装荷でのゼロ電圧スイッチング(またはZVS)を使用する電圧供給デュアルアクティブブリッジ。このトポロジは、高負荷でのスイッチング周波数を低下させ、低負荷での出力電圧をわずかに変化させることができ、低負荷でバーストモードを使用することもできる。第2に、2通りで昇圧するトランスおよび昇圧インダクタを備えた電流供給デュアルアクティブブリッジ。このトポロジは、種々の変調スキームとスナバオプションとを有し得る。第3に、カスケード同期昇圧は、スイッチが少なく、自然なゼロ電圧スイッチング(またはZVS)を用いて、高効率モードで双方向に動作することができ、位相がインターリーブされている場合には当然ながら冗長性を持つ。インダクタは、電力密度を改善するために結合されてもよい。さらに、スイッチング周波数を増加させることができ、一部のモジュールは、軽負荷で遮断することができる。
以下に示すように、DC−DC昇圧変換器のトポロジの1つは、結合インダクタを用いたカスケード同期昇圧である。このトポロジを有する1つの提案された変換器は、4つのモジュール、例えば、2つの低電圧モジュールと、2つの高電圧モジュールとを含む。低電圧モジュールは高電圧モジュールと直列に配置され、したがって、モジュールの各グループは、電圧を合計量の半分だけ昇圧するのみでよい。例えば、低電圧モジュールはバッテリ電圧から100Vに昇圧することができ、高電圧モジュールは100Vから200Vに昇圧することができる。このカスケード式方策は、変換器をゼロ電圧スイッチングに維持することが可能な50パーセント(50%)にデューティサイクルを近づけることによって、かつモジュールの各グループを個別の電圧範囲に合わせて調整できるようにすることによって(例えば、低電圧モジュールは高電流で200VのMOSFETを使用でき、高電圧モジュールは低電流で400VのMOSFETを使用できる)、モジュールの各グループの効率を改善することが期待される。
以下は、本開示に従って高度に導き出されたDC−DC昇圧変換器の一実施形態のいくつかの仕様である。
電気的仕様
パラメータ
値
許容度
補足説明
出力電圧
200V
+/-2V
入力電圧
36-75V
リチウムイオンバッテリパック
連続出力電力
6000W
過渡出力電力
図8参照
連続出力電力効率
>=98%必要
>=99%推奨
効率対電力
図9参照
入力電流リップル
<=+/-10%または<=10A,いずれか大きい方
負荷容量(外部、出力間)
400-800uF
複数のモータードライブの並列入力容量
起動時間
<=1秒
負荷過渡応答
図10参照
入力電圧過渡応答
図11参照
熱仕様
パラメータ
値
許容度
補足説明
冷却
強制空気対流または自然対流
周囲温度範囲
-20〜50C
機械仕様
パラメータ
値
許容度
補足説明
重量
<=1kg
最大
長さ
<=7.5”
対象、例外を設定可能
幅
<=3.5”
対象、例外を設定可能
奥行き
<=2.5”
対象、例外を設定可能
通信仕様
報告された測定値
パラメータ
値
許容度
補足説明
入力電流
アンペア
+/-1A
入力電圧
ボルト
+/-0.1V
出力電流
アンペア
+/-1A
出力電圧
ボルト
+/-0.1V
重要な構成要素の温度
セ氏温度
+/-1C
トランジスタ、インダクタなど
通信仕様
パラメータ
値
許容度
補足説明
通信プロトコル
CAN
通信ビットレート
1Mbps
最小
電力入力/電力出力からの通信バスの絶縁
>2500V
最小
メッセージレート
最大100Hz
最大
いくつかの実施形態では、変換器は、CAN通信を可能にし、例えば、1つ以上の仕様に関連する測定値を得ることを目的としてソフトウェアと対話するために、ソフトウェアインタフェースを提供する1つ以上のコントローラエリアネットワーク(CAN)バス、例えば、2つのCANバスを備えたAtmel(登録商標)SAM C21を有し得る。いくつかの実施形態では、CANバスは、少なくとも32キロバイト(32kB)のフラッシュメモリ、および少なくとも8キロバイト(8kB)のランダムアクセスメモリ(またはRAM)を有し得る。
Claims (15)
- 航空機であって、
フレームと、
前記フレームに取り付けられた直流バッテリと、
前記フレームに取り付けられた複数の推進モータであって、前記推進モータの各々が、シャフトによって画定される軸の周りにプロペラを回転させるように構成されている、前記推進モータと、
前記バッテリから電力を受け取るとともに、前記推進モータの各々に電力を供給するように構成された電力変換ユニットであって、前記電力変換ユニットが、
前記フレームに取り付けられた筐体と、
前記筐体の内部に着脱自在に取り付けられた複数の電力モジュールであって、前記電力モジュールの各々が、所定の電圧レベルおよび所定の電流レベルまでの電力を供給するように構成され、前記電力モジュールの各々が、
昇圧インダクタと、
前記昇圧インダクタを流れる電流を検知するとともに、前記昇圧インダクタを流れる前記電流に対応する電圧信号を生成するように配置された電流センサと、
MOSFETの対であって、前記MOSFETの対が、前記昇圧インダクタと前記推進モータの少なくとも1つとの間に直列に配置された第1のMOSFETと、前記昇圧インダクタと接地との間に直列に配置された第2のMOSFETとを備える、前記MOSFETの対と、
ゲートドライバであって、前記ゲートドライバが、前記MOSFETの対の各々をオンまたはオフに切り替えるゲート電圧を供給するように構成されている、前記ゲートドライバと、
前記推進モータの少なくとも1つと並列の出力コンデンサと、
誤差増幅器であって、前記誤差増幅器の第1の入力が基準電圧であり、前記誤差増幅器の第2の入力が前記出力コンデンサの両端の電圧であり、前記誤差増幅器の出力が、基準電流に対応する電圧信号である、前記誤差増幅器と、
前記ゲートドライバの動作を制御するヒステリシス制御器であって、前記ヒステリシス制御器の第1の入力が、前記基準電流に対応する前記電圧信号であり、前記ヒステリシス制御器の第2の入力が、前記電流センサによって検知された前記昇圧インダクタを流れる前記電流に対応する前記電圧信号であり、前記ヒステリシス制御器の出力が、前記MOSFETの対の1つをオンに切り替え、前記MOSFETの対の1つをオフに切り替える前記ゲートドライバへの電圧信号である、前記ヒステリシス制御器と
を備える、前記複数の電力モジュールと、
前記筐体内の監視用制御器であって、前記監視用制御器が前記電力モジュールの各々と通信し、前記監視用制御器が、要求に応答して電力を供給するのに必要な所定数の前記電力モジュールを決定するように構成されている、前記監視用制御器と
を備える、前記電力変換ユニットと
を備える、前記航空機。 - 前記電力モジュールの各々がさらに、前記昇圧インダクタの上流にある第1の絶縁スイッチと、前記第1のMOSFETの下流にある第2の絶縁スイッチとを備え、
前記第1の絶縁スイッチと前記第2の絶縁スイッチとの各々が、前記監視用制御器と通信する、請求項1に記載の航空機。 - 電力変換ユニットであって、
筐体と、
前記筐体内に取り付けられた制御器と、
直流電源と、
前記筐体内に着脱自在に取り付けられた第1の電力モジュールであって、前記第1の電力モジュールが、
第1の昇圧インダクタと、
前記第1の昇圧インダクタを通過する電流を検知するように構成された第1の電流センサと、
第1のトランジスタの対と、
前記第1のトランジスタの対の各々を動作させるように構成された第1のゲートドライバと、
第1の出力コンデンサと、
第1の誤差増幅器であって、前記第1の誤差増幅器への第1の入力が、前記第1の電力モジュールに対する第1の負荷に関連する第1の基準電圧であり、前記第1の誤差増幅器への第2の入力が、前記第1の電力モジュールの第1の出力電圧であり、前記第1の誤差増幅器からの出力が、前記第1の基準電圧と前記第1の電力モジュールの前記第1の出力電圧との間の差に少なくとも部分的に基づいて決定される第1の基準電流を表す電圧信号である、前記第1の誤差増幅器と、
第1のヒステリシス制御器であって、前記第1のヒステリシス制御器への第1の入力が、前記第1の基準電流を表す前記電圧信号であり、前記第1のヒステリシス制御器への第2の入力が、前記第1の昇圧インダクタを通過する前記電流を表す電圧信号であり、前記第1のヒステリシス制御器からの出力が、前記第1の基準電流と、前記第1の昇圧インダクタを通過する前記電流との間の差に少なくとも部分的に基づいて、前記第1のゲートドライバを動作させる第1の制御信号である、前記第1のヒステリシス制御器と、を備え、
前記第1のトランジスタの対のうちの第1のトランジスタが、前記第1の昇圧インダクタと前記第1の電力モジュールに対する前記負荷との間に直列に配置され、前記第1のトランジスタの対のうちの第2のトランジスタが、前記第1の昇圧インダクタと接地との間に直列に配置される、前記第1の電力モジュールと、
前記筐体内に着脱自在に取り付けられた第2の電力モジュールであって、前記第2の電力モジュールが、
第2の昇圧インダクタと、
前記第2の昇圧インダクタを通る電流を検知するように構成された第2の電流センサと、
第2のトランジスタの対と、
前記第2のトランジスタの対の各々を動作させるように構成された第2のゲートドライバと、
第2の出力コンデンサと、
第2の誤差増幅器であって、前記第2の誤差増幅器への第1の入力が、前記第2の電力モジュールに対する第2の負荷に関連する第2の基準電圧であり、前記第2の誤差増幅器への第2の入力が、前記第2の電力モジュールの第2の出力電圧であり、前記第2の誤差増幅器からの出力が、前記第2の基準電圧と前記第2の電力モジュールの前記第2の出力電圧との間の差に少なくとも部分的に基づいて決定される第2の基準電流である、前記第2の誤差増幅器と、
第2のヒステリシス制御器であって、前記第2のヒステリシス制御器への第1の入力が、前記第2の基準電流を表す前記電圧信号であり、前記第2のヒステリシス制御器への第2の入力が、前記第2の昇圧インダクタを通過する前記電流を表す電圧信号であり、前記第2のヒステリシス制御器からの出力が、前記第2の基準電流と、前記第2の昇圧インダクタを通過する前記電流との間の差に少なくとも部分的に基づいて、前記第2のゲートドライバを動作させる第2の制御信号である、前記第2のヒステリシス制御器と、を備え、
前記第2のトランジスタの対のうちの第1のトランジスタが、前記第2の昇圧インダクタと前記第2の電力モジュールに対する前記負荷との間に直列に配置され、前記第2のトランジスタの対のうちの第2のトランジスタが、前記第2の昇圧インダクタと接地との間に直列に配置される、前記第2の電力モジュールと、
を備える、前記電力変換ユニット。 - 前記第1の制御信号が、前記第1の昇圧インダクタを流れる前記電流がゼロ電圧スイッチング電流に等しいときに、前記第1のトランジスタの対のうちの前記第1のトランジスタをオフに切り替えるとともに、前記第1のトランジスタの対のうちの前記第2のトランジスタをオンに切り替えるように構成され、
前記第1の制御信号が、前記第1の昇圧インダクタを流れる前記電流が前記第1の基準電流に等しいときに、前記第1のトランジスタの対のうちの前記第1のトランジスタをオンに切り替えるとともに、前記第1のトランジスタの対のうちの前記第2のトランジスタをオフに切り替えるように構成されている、請求項3に記載の電力変換ユニット。 - 前記第1のヒステリシス制御器が、前記第1の基準電流と、前記第1の昇圧インダクタを通過する前記電流との間の差に少なくとも部分的に基づいて、前記第1のトランジスタの対のうちの前記第1のトランジスタと、前記第1のトランジスタの対のうちの前記第2のトランジスタとのスイッチング周波数を選択するように構成され、
前記第1の制御信号が、前記スイッチング周波数に従って送られる、請求項3または請求項4に記載の電力変換ユニット。 - 前記第1のヒステリシス制御器が、
前記第1のヒステリシス制御器への前記第1の入力と、前記第1のヒステリシス制御器への前記第2の入力とを受け取るように構成された第1の比較器と、
前記第1のヒステリシス制御器への前記第2の入力と、負のゼロ電圧スイッチング電流に対応する電圧信号とを受け取るように構成された第2の比較器と、
前記第1のヒステリシス制御器への前記第1の入力と、前記第1のヒステリシス制御器への前記第2の入力とを受け取るように構成された第3の比較器と、
前記第1のヒステリシス制御器への前記第2の入力と、正のゼロ電圧スイッチング電流に対応する電圧信号とを受け取るように構成された第4の比較器と、
前記第1の比較器の出力、前記第2の比較器の出力、前記第3の比較器の出力、および前記第4の比較器の出力の少なくとも1つに、少なくとも部分的に基づいて、前記第1の制御信号を生成するように構成されたラッチとを備え、
前記第1の比較器の前記出力が、前記第1の昇圧インダクタを通過する前記電流が前記第1の基準電流よりも小さいことを示す場合、および前記第2の比較器の前記出力が、前記第1の昇圧インダクタを通過する前記電流が前記負のゼロ電圧スイッチング電流よりも小さいことを示す場合、前記第1の制御信号が、前記第1のゲートドライバに、前記トランジスタの対のうちの前記第1のトランジスタをオフに切り替えるとともに、前記トランジスタの対のうちの前記第2のトランジスタをオンに切り替えるように指示し、
前記第3の比較器の前記出力が、前記第1の昇圧インダクタを通過する前記電流が前記基準電流よりも大きいことを示す場合、および前記第4の比較器の前記出力が、前記第1の昇圧インダクタを通過する前記電流が前記正のゼロ電圧スイッチング電流よりも大きいことを示す場合、前記第1の制御信号が、前記第1のゲートドライバに、前記第1のトランジスタの対のうちの前記第1のトランジスタをオンに切り替えるとともに、前記第1のトランジスタの対のうちの前記第2のトランジスタをオフに切り替えるように指示する、請求項3、請求項4、または請求項5に記載の電力変換ユニット。 - 前記第1の電力モジュールが、第1の絶縁スイッチ、第2の絶縁スイッチ、および前記第1の絶縁スイッチと前記第2の絶縁スイッチとの間に直列の第1の電力段を備え、
前記第1の電力段が、前記第1の昇圧インダクタ、前記第1の電流センサ、前記第1のトランジスタの対、前記第1のゲートドライバ、前記第1の出力コンデンサ、前記第1の誤差増幅器、および前記第1のヒステリシス制御器を備え、
前記第1の絶縁スイッチが、前記制御器と通信する第1のハイサイドスイッチであり、
前記第2の絶縁スイッチが、前記制御器と通信する第2のハイサイドスイッチである、請求項3、請求項4、請求項5、または請求項6に記載の電力変換ユニット。 - 前記第1のトランジスタの対のうちの前記第1のトランジスタが、前記第1のゲートドライバからのゲート電圧によって電圧を加えられるように構成された第1のMOSFETであり、
前記第1のトランジスタの対のうちの前記第2のトランジスタが、前記第1のゲートドライバからの前記ゲート電圧によって電圧を加えられるように構成された第2のMOSFETである、請求項3、請求項4、請求項5、請求項6、または請求項7に記載の電力変換ユニット。 - 前記電力変換ユニットが、前記直流電源の公称電圧に基づいて最大出力電圧まで生成するように構成されており、
前記直流電源の前記公称電圧が、約48ボルトおよび約60ボルトの範囲内であり、
前記電力変換ユニットの前記最大出力電圧が、約150ボルトである、請求項3、請求項4、請求項5、請求項6、請求項7、または請求項8に記載の電力変換ユニット。 - 複数の推進モータを備えた航空機の内部に、前記電力変換ユニットを取り付ける構成となっている、請求項3、請求項4、請求項5、請求項6、請求項7、請求項8、または請求項9に記載の電力変換ユニット。
- 前記第1の電力モジュールが、約2インチの第1の寸法と、約6インチの第2の寸法とを有する、請求項3、請求項4、請求項5、請求項6、請求項7、請求項8、請求項9、または請求項10に記載の電力変換ユニット。
- 前記電力変換ユニットが、第1の所定数の電力モジュールを備え、
前記第1の所定数が少なくとも4であり、
前記第1の所定数の電力モジュールが、前記第1の電力モジュールおよび前記第2の電力モジュールを備え、
前記電力変換ユニットが、少なくとも1つの所定の電気負荷に関連して提供され、
前記所定の電気負荷が、動作のために第2の所定数の電力モジュールを必要とし、
前記第1の所定数が、前記第2の所定数よりも少なくとも1だけ大きい、請求項3、請求項4、請求項5、請求項6、請求項7、請求項8、請求項9、請求項10、または請求項11に記載の電力変換ユニット。 - 前記第1の電力モジュールが、前記第1のヒステリシス制御器への前記第2の入力にある第1の過電流比較器、または前記トランジスタの対の前記第2のトランジスタにある第2の過電流比較器の少なくとも1つをさらに含み、
前記第1のゲートドライバが、前記第1の過電流比較器または前記第2の過電流比較器の1つからの過電流信号に応答して、前記第1のトランジスタおよび前記第2のトランジスタの各々をオフに切り替えるように構成されている、請求項3、請求項4、請求項5、請求項6、請求項7、請求項8、請求項9、請求項10、請求項11、または請求項12に記載の電力変換ユニット。 - 電力モジュールであって、
昇圧インダクタと、
前記昇圧インダクタを流れる電流を検知するように配置された電流センサと、
MOSFETの対であって、前記MOSFETの対が、前記昇圧インダクタと少なくとも1つの負荷との間に直列に配置された第1のMOSFETと、前記昇圧インダクタと接地との間に直列に配置された第2のMOSFETとを備える、前記MOSFETの対と、
ゲートドライバであって、前記ゲートドライバが、前記MOSFETの各々をオンまたはオフに切り替えるように構成されている、前記ゲートドライバと、
前記少なくとも1つの負荷と並列の出力コンデンサと、
前記昇圧インダクタの上流にある第1のハイサイドスイッチと、
前記出力コンデンサと前記少なくとも1つの負荷との間の第2のハイサイドスイッチと、
誤差増幅器であって、前記誤差増幅器の第1の入力が基準電圧であり、前記誤差増幅器の第2の入力が前記出力コンデンサの両端の電圧であり、前記誤差増幅器の出力が、基準電流に対応する電圧信号である、前記誤差増幅器と、
前記ゲートドライバの動作を制御するヒステリシス制御器であって、前記ヒステリシス制御器の第1の入力が、前記誤差増幅器の前記出力の前記基準電流に対応する前記電圧信号であり、前記ヒステリシス制御器の第2の入力が、前記電流センサによって検知された前記昇圧インダクタを流れる前記電流に対応する電圧信号であり、前記ヒステリシス制御器の出力が、前記MOSFETの対の少なくとも1つをオフまたはオンに切り替える前記ゲートドライバへの制御信号である、前記ヒステリシス制御器と
を備える、前記電力モジュール。 - 前記電力モジュールが、
前記第1のハイサイドスイッチで、直流電源から電力を受け取ること、
前記電流センサによって、前記昇圧インダクタを流れる電流を検知すること、
前記誤差増幅器によって、前記出力コンデンサの両端の前記電圧レベルを前記基準電圧と比較すること、
前記誤差増幅器によって、前記基準電流に対応する前記電圧信号を前記ヒステリシス制御器に供給することであって、前記電圧信号が、前記出力コンデンサの両端の前記電圧レベルと前記基準電圧との間の差に比例する、前記電圧信号を供給すること、
前記ヒステリシス制御器によって、前記基準電流が、前記昇圧インダクタを流れる前記電流を超えることを判定すること、
前記ヒステリシス制御器によって、前記ゲートドライバに制御信号を供給すること、および
前記ゲートドライバによって、前記制御信号に応答して、前記第1のMOSFETおよび前記第2のMOSFETを切り替えること
を含む方法を行うように構成されている、請求項14に記載の電力モジュール。
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