航空静止变流器的研究综述.pdf

第4 6 卷第1 期 2 0 1 4 年2 月 南京航陶尿朊 J o u r n a lo fN a n j i n gU 空 n l V 航天大学学报 e r s i t yo fA e r o n a u t i c s8 LA s t r o n a u t i c s 航空静止变流器的研究综述 张方华龚春英邓翔 ( 南京航空航天大学自动化学院，南京，2 1 0 0 1 6 ) V 0 1 4 6N o 1 F e b 2 0 1 4 摘要：航空静止变流器实现机载直流电到交流电的转换，是航空电源系统的重要组成部分。本文从拓扑和控制 等方面回顾了近年的研究历程，讨论了提高航空静止变流器的功率密度、效率、输入输出性能等的关键技术。 分析了航空静止变流器的适用拓扑，采用反向恢复损耗问题小的拓扑、并采用交错移相控制技术等，可提高滤波 器的等效开关频率，减轻被动元器件的重量。在D C - D C 变换器的电压环中增加陷波滤波器，在D C - A C 逆变器 的电压环中增加谐振控制器，显著改变了特定频率处的变换器输出阻抗，解决了单相航空静止变流器的输入端 的低频电流纹波问题，显著提升了航空静止变流器的输出电压调整率。在提高基础模块性能的基础上，研究了 具有抗干扰能力强的组合控制技术，为航空静止变流器的标准化奠定了基础。 关键词：航空静止变流器；低频纹波；谐振控制器；模块化；双B u c k 逆变器 中图分类号：T M 4 6 4 ；V 2 4 2文献标志码：A文章编号：1 0 0 5 2 6 1 5 ( 2 0 1 4 ) 0 1 0 0 1 9 0 8 R e v i e wo fA e r o n a u t i cS t a t i cI n v e r t e r Z h a n gF a n g h u a ，G o n gC h u n y i n g ，D e n gX i a n g ( C o l l e g eo fA u t o m a t i o nE n g i n e e r i n g ，N a n i i n gU n i v e r s i t yo fA e r o n a u t i c s & A s t r o n a u t i c s ，N a n i i n g ，2 1 0 0 1 6 ，C h i n a ) A b s t r a c t ：A e r o n a u t i cs t a t i ci n v e r t e r s ( A S I s ) c o n v e r tt h eD Cb u sv o l t a g et oc o n s t a n tf r e q u e n c yA Cv o l t a g e ，w h i c hi sa ni m p o r t a n tp a r to ft h ea i r c r a f tp o w e rs y s t e m R e s e a r c hp r o g r e s si nr e c e n ty e a r sf r o mt h e a s p e c t so ft o p o l o g i e sa n dc o n t r o lt e c h n i q u e si sr e v i e w e d T h ek e yt e c h n i q u e st oi m p r o v et h eA S I Sp o w e r d e n s i t y ，e f f i c i e n c y ，i n p u t o u t p u tp e r f o r m a n c ea r eh i g h l i g h t e d T h et o p o l o g i e sw i t hs m a l lr e v e r s er e c o v c r yl o s s e sa n dt h ei n t e r l e a v i n gp h a s e s h i f tc o n t r o lt e c h n o l o g yc a ni n c r e a s et h ee q u i v a l e n to p e r a t i n gf r e - q u e n c yo ft h ef i l t e r sa n dr e d u c et h ew e i g h to fp a s s i v ec o m p o n e n t s B yi n t r o d u c i n gan o t c hf i l t e ri n t ot h e v o l t a g e1 0 0 po fD C D Cc o n v e r t e r ，t h eo u t p u ti m p e d a n c ea tt w i c el i n ef r e q u e n c yi ss i g n i f i c a n t l yi n c r e a s e d a n dt h el o w f r e q u e n c yc u r r e n tr i p p l ei nt h ei n p u to ft h es i n g l e p h a s eA S I sc a nb er e d u c e d B yi n t r o d u c i n g ar e s o n a n tc o f i t r o l l e ri n t ot h ev o l t a g e1 0 0 po fD C A Cc o n v e r t e r ，t h eo u t p u tv o l t a g er e g u l a t i o no fA S Ic a n b es i g n i f i c a n t l yi m p r o v e d O nt h eb a s i so fi m p r o v i n gt h ep e r f o r m a n c eo fb a s i cm o d u l e ，t h ec o m b i n a t i o n c o n t r o lt e c h n o l o g yo fs t r o n ga n t i i n t e r f e r e n c ea b i l i t yi sr e s e a r c h e d ，w h i c hh a sl a i dt h ef o u n d a t i o nf o rt h e s t a n d a r d i z a t i o no fA S I K e yw o r d s ：a e r o n a u t i cs t a t i ci n v e r t e r ；l o w f r e q u e n c yr i p p l e ；r e s o n a n tc o n t r o l l e r ；m o d u l a r i z a t i o n ；d u a l b u c ki n v e r t e r 基金项目：国家自然科学基金( 5 1 0 0 7 0 3 9 ) 资助项目。 收稿日期：2 0 1 3 1 0 - 2 0 ；修订日期：2 0 1 3 1 2 - 2 3 作者简介：张方华，男，教授，博士生导师，1 9 7 6 年4 月生；研究方向：直流变换器、高可靠性航空静止变流器、L E D 驱 动、电力电子系统的稳定性和电能质量；研究成果：国防科学技术进步奖二等奖、国防科学技术进步奖三等奖、国防科学 技术发明奖二等奖、教育部科学技术发明奖二等奖以及中达青年学者等。 通信作者：张方华，E - m a i l ：z h a n g f h n u a a e d u c n 。 万方数据 2 0南京航空航天大学学报第4 6 卷 在飞机二次电源中，航空静止变流器( A e r o n a u t i cs t a t i ci n v e r t e r ，A S I ) 将发电机或航空蓄电池 的电能转换为恒频交流电给飞控、仪表等用电设备 提供高品质的电能，是航空电源系统的重要组成部 分。从飞机电气系统的层面来看，机载设备的高效 率意味着能源消耗或发热量的减少，有助于降低航 空静止变流器的热疲劳强度，提高可靠性；而且高 功率密度意味着飞机载重量的降低，有助于提高飞 机的续航里程。因此，高功率密度、高效率是机载 电能变换设备的内在需求。 随着功率半导体器件的发展，2 0 世纪7 0 年代 航空静止变流器取代旋转变流机，提高了二次电源 的维护性和可靠性。目前国内主要的航空静止变 流器规格为2 8V 直流输入，单相或三相1 1 5V 4 0 0H z 输出。近年来随着飞机用电容量的显著增 加，一些新型飞机开始采用2 7 0V 高压直流母线， 出现了高压2 7 0V 输入的变流器。一般采用图1 所示的两级变换方案。D C D C 变换器将2 8V 或 2 7 0VD C 转换为1 8 0V D C 或3 6 0VD C ，分别供 后级全桥或半桥型D C A C 逆变器使用。为减轻 系统重量，均在D C D C 级通过高频变压器隔离，而 不采用4 0 0H z 的中频变压器。电力电子技术的发 展，为航空静止变流器的功率质量比、变换效率等关 键技术指标的大幅度提高创造了空间。本文将围绕 A S I 的功率质量比、变换效率、低频纹波抑制、模块 化等，从功率变换拓扑和控制技术等方面进行阐述。 图1两级式航空静止变流器框图 F i g 1 B l o c kd i a g r a mo ft w o s t a g ea e r o n a u t i cs t a t i ci n v e r t e r 1 航空静止变流器的变换拓扑 1 1D C D C 变换器的拓扑( 以2 8V 输入为例】 D C D C 变换器将2 8VD C 转换为1 8 0V D C ( 以后级为全桥型电路为例) ，实现输出电压调节和 电气隔离。按照文献 1 的要求，D C D C 变换器的 正常输入电压范围为2 2 2 9V ；可承受的瞬变电 压范围为1 8V 历时1 5m s ，5 0V 历时1 2 5m s 。 原理上讲，所有隔离型D C D C 变换器均可用 于该场合。但一般而言，为提高A S I 的可靠性，建 议选取开关管数量较少的方案。例如推挽正激电 路 2 、单端反激电路等。推挽正激电路具有开关管 电压有效箝位、含输入内置滤波器等优点，适于 2 8V 输入场合。 交错并联技术口 可以使滤波器的工作频率提 高为主开关器件的开关频率的咒倍( 行为交错并联 相数) ，在不增加开关损耗的情况下，进一步减轻被 动元器件的重量，并能实现一定程度的冗余、容错， 在较大功率的应用中应用价值高。 1 2D C - A C 逆变器的拓扑 D C - A C 变换器将1 8 0VD C ( 以全桥逆变器为 例) 逆变为1 1 5v 4 0 0H z 的交流电。 全桥和半桥电路是逆变器的经典拓扑，但由于 存在主开关管的反并联寄生二极管反向恢复损耗 大、存在桥臂直通可能性等问题，影响桥臂工作可 靠性。主开关管的反并联寄生二极管反向恢复造 成的电压、电流尖峰，限制了开关频率的进一步提 高，开关频率通常被限制在2 0k H z 以下。为了满 足逆变器输出总谐波含量( T o t a lh a r m o n i cd i s t o r t i o n ，T H D ) 的要求，需要降低输出滤波器的截止频 率，增加了滤波器的质量，因此降低了功率质量比。 为了提高逆变器的可靠性，并提高开关频率，以减 轻被动元器件的质量，主要有两类做法： ( 1 ) 仍采用桥式电路，主要从3 个方面着手： 采用软开关逆变技术 4 1 ；采用I G B T 与S i C 基肖特 基二