高功率密度双输出航空地面电源设计

0引言

航空地面电源是用于飞机地面通电检查及日常维护的重要设备。近年来,随着飞机多电技术快速发展,飞机数量激增,飞机所需地面电源种类越来越丰富,保障规模日益扩大,保障任务日趋繁重,这就对航空地面电源保障装备的小型化、功能多样化等方面提出了新的要求。基于以上要求,高功率密度、多输出保障一体化已经成为航空地面电源的发展趋势。

目前,航空地面电源主要分为航空电源车、静变电源两类。其中传统的电源车体积大、能耗高、噪声与大气污染重、供电品质低,再加上20世纪70年代以来电力电子技术飞速发展,电源车有逐步被静变电源取代的趋势^[1]。静变电源综合功率半导体器件与现代控制技术,通过变流将工频电源变换为飞机所需要的电源,通常可置于飞机机位附近,能够缩短供电准备时间,提高保障可靠性,减轻航空保障任务。但现有的静变电源大多只能输出单一类型电源,无法实现多机种综合保障。

当前,静变电源多采用第二代绝缘栅双极晶体管(IGBT)功率半导体器件,随着高功率密度第三代功率器件材料的发展,以碳化硅(SiC)为代表的宽禁带材料为静变电源在提升功率密度、促进小型化方面提供了创新突破的技术条件。同时,当前飞机地面保障设备种类、数量繁多,地面电源的小型化对航空地面保障便捷性、灵活性有重要意义。因此,本文提出了一种高功率密度交直流多输出AC115 V/400 Hz和DC28 V的航空地面电源设计。

1 总体设计

本航空地面电源总体设计方案原理如图1所示, AC115 V/400 Hz和DC28 V为两套基本原理相似的独立系统。两套系统主拓扑结构均采用交—直—交模式,如图2所示。前级输入整流电路采用12脉波变压整流器,后级逆变部分采用sVPWM组合式单相全桥逆变电路,功率开关采用碳化硅(sic)器件,通过变压器变换至合适的电压并滤波后输出。交流与直流输出系统均基于电流/电压双闭环PI算法,采用 DSP+ARM双核全数字控制器。

然而,供电种类与系统的增加提升了控制系统的复杂度,同时如何减小设备体积质量并保证供电品质与可靠性成为设计难点。选择合适的功率开关器件是提升电源功率密度的核心要素,在功率电源设计中,功率开关器件的导通损耗和开关损耗是制约电源体积、导致电路发热的主要因素之一,且工作频率越高,开关损耗越大。

以碳化硅(SiC)为代表的宽禁带材料被誉为第三代功率器件材料,具有耐高压、易散热、导通与开关损耗低等传统si功率半导体器件无法比拟的特性,减小了电力电子设备在高温、高功率、高压等恶劣工况下的设计难度。相比 目前通用硅型功率器件(IGBT),2009年三菱电机研发的11 kW SiC功率变换器,功率损耗下降70%,同时sic封装尺寸更小,设备功率密度显著提升^[2]。本文根据高功率密度设计要求,逆变器中的核心开关器件均选用SiC MOSFET。

2 12脉波变压整流器

50 Hz交流市电经输入滤波后,先由12脉波变压器移相^[3],再经整流器分别整流并联输出,可减少电源对电网污染/畸变的影响,输出更为平稳的直流电。整流器由Y/Y/△型隔离变压器、三相半控整流桥电路、平衡电抗器、滤波电容等组成,开关器件选用可控硅晶闸管,如图3所示。

隔离变压器原边的三个单相绕组互相独立,副边绕组分别采用星形和三角形连接,星形与三角形连接绕组匝数比为1:1:√ 3,星形输出电压相位与原边相同,三角形输出电压相位与原边相差30°。在启动时,通过调节晶闸管出发角α,逐渐增大输出整流电压,减小电流冲击,实现软启动。平衡电抗器可吸收并联两路整流器的瞬时电压差,保证两路整流桥可以独立工作,使输入电流波形在一个周期内为12阶梯波,输出电压推导原理如下:

假设输入三相电压Vs为:

式中:Va、Vb、Vc为各相电压;V0为各相电压的有效值;w为输入电压的角频率;t为时间。

三相晶闸管开关函数Sv为:

Sv(wt)=[Sa(wt),Sb(wt),Sc(wt)]

α为导通角,各相晶闸管开关函数Sa(wt),Sb(wt), Sc(wt)分别为:

调制直流输出电压Vd:

Vd=Sv(wt)·Vs

假设α=0,则星形与三角形副边绕组输出整流波形每隔π/3周期重复1次,在一个工频周期内各脉动6次,星形输出电压V_d1、三角形输出电压V_d2 时域表达式为:

当两组三相整流桥经平衡电抗器并联后,输出电压Vdc时域函数为:

经傅里叶分解后:

因此,本文整流变压器在单个工频周期内输出脉动次数可达12次,理想情况下,输出 电流仅含12n±1次谐波,输入电流总畸变率(THD)为15.22%。

3逆变电路

逆变器是静变电源的关键技术,决定输出电能质量。由于飞机负载常为三相不平衡的阻感性负载,且航空电源容量大,逆变部分开关管频率高、电流大,因此选择合适的逆变器拓扑结构十分重要。

3.1组合式多相逆变电路

对于115 V模块,需考虑提高对不平衡负载的适应能力,对于28 V模块,需考虑低压大电流输出的稳定性与安全性,因此本文采用基于SVPWM的组合式单相逆变器^[4]。115 V模块由3个独立且隔离的单相逆变器组成,级联变压器滤波输出,如图4所示。28 V直流模块由4个单相逆变器组成,级联变压器整流滤波并联输出,如图5所示,均采用SVPWM调制方法。

3.2 单相SVPWM原理

SVPWM主要原理是以三相对称正弦波电压供电时三相对称电动机定子理想磁链圆为参考,依据电机磁链和电压关系,在一个开关周期内,通过对基本电压矢量组合合成给定参考电压矢量,建立三相全桥逆变电路中功率开关器件的导通状态,形成 PWM波,具有直流电压利用率高、开关损耗小、输出谐波小等优点^[5—6]。

基于三相SVPWM原理与优 点 ,发展 出单相 SVPWM。在单相全桥逆变电路中,每个桥臂的开关状态以Si表示,Si=1代表上管导通下管关断,0则相反。功率开关管共有4种工作状态,可输出4种基本电压空间矢量,如表1所示。空间矢量图如图6所示,主要由两个非零矢量和两个零矢量构成。

根据PWM算法的伏秒平衡原则,通过控制基本电压空间矢量作用时间,可得到参考电压矢量Vr。其中,非零矢量作用的时间用零矢量填充,非零矢量作用时间为Tk,零矢量作用时间为T0,SVPWM调制周期为Ts,参考电压矢量Vr表达式为:

4控制系统

控制电路采用DSP+ARM双核全数字控制,具有两套独立的控制电路分别控制115 V交流与28 V直流输出,具有运算能力强、速度快和任务调度能力强的优点。DSP用于对电压、电流等实时调控、高速测量及参数计算,可产生SVPWM波形控制SiC MOSFET。 ARM处理器用于I/O控制、参数监视、显示器/按键与外部通信。双核控制系统实时监控设备电流、电压以及温度等参数,具有开机自检、故障诊断与丰富的保护功能,如输入过压、欠压、相序保护,逆变器故障保护,直流母线过压保护,变压器过温保护,输出过压、欠压、过流保护等。电源一旦出现故障,立即进入保护状态,并记录当前故障,便于维修查询。

由于飞机负载是不平衡且不固定的动态负载,且需抑制电路本身谐波含量,本电源在控制上采用电压外环、电流内环的双闭环PI控制算法^[7],如图7所示。其中,PI调节器中比例环节负责加快系统响应速度,积分环节用于消除稳态误差,使系统具有更好的静态特性。电压外环部分将输出反馈电压uf与基准参考正弦电压uref进行对比,差值经过电压PI调节器运算,得到电流基准值Ig。电流内环部分进一步将Ig与负载反馈电流If对比,差值经过电流PI调节器运算,运算结果送入SVPWM控制环节,调整功率开关导通时间,从而实现输出电压稳定控制。

在本控制方法下,当电压发生变化时输出电流随之变化,电流内环会抑制电压变化,从而减小电压波动,节约电压调节时间,加快系统响应速度。

5 结束语

本文以保障功能齐全丰富、多机种保障、小型便捷等为出发点,引入高功率密度的SiCM0SFET功率开关器件,设计基于SVPWM组合式单相全桥逆变器,采用DSP+ARM双核全数字控制器,实现一种高功率密度、AC115 V/400 Hz和DC28 V双路输出的航空地面电源的设计,可同时保障飞机交直流供电任务,提升保障效率,节约保障成本。

[参考文献]

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[2]王学梅.宽禁带碳化硅功率器件在电动汽车中的研究与应用[J].中国电机工程学报,2014,34(3):371-379.

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[4]裴雪军,刘明先,康勇.组合式三相逆变器并联控制技术研究[J].电力电子技术,2012,46(1):99-101.

[5] 吴立业.基于Sic MOSFET与单相SVPWM技术的高频逆变电源研究[D].济南:山东大学,2020.

[6] 高摇光.单、三相逆变器SVPWM的新方案研究[D].济南:山东大学,2010.

[7] 汪浩洋.基于DSP的5KVA变频电源研制[D].北京:北京交通大学,2010.

2025年第2期第8篇