航空靜止變流器技術

王幫亭，鄭 建

(上海飛機設計研究院電氣設計研究部，上海 200235)

航空靜止變流器是飛機電源系統(tǒng)的二次電源，它應用功率半導體器件，將飛機上主電源直流電28 V和270 V變換為恒壓恒頻單相36 V或115 V，400 Hz或三相36 V和115 V，400 Hz交流電，供飛機上的用電設備使用。

靜止變流器是綜合應用電力電子技術對飛機電能進行二次變換的裝置，它綜合了電力技術、電子技術與控制技術。航空靜止變流器是飛機電源系統(tǒng)的核心組成部分，直接影響到飛機的安全性和可靠性，同時也是決定航空電源系統(tǒng)技術水平的主要因素之一。

靜止變流器的基本要求是:可靠性高，成本低、維護方便、體積小、重量輕、電氣性能好。主要電氣性能指標有:輸出電壓精度高，動態(tài)響應速度快，輸出正弦電壓失真度低，效率高。隨著飛機性能的提高和用電設備的不斷增加，對航空靜止變流器也提出了更高的要求。具有高效率、高可靠性、高功率密度、輸入與輸出之間具有航空/電隔離的變換器才能滿足上述要求。

1 傳統(tǒng)靜止變流器分析

傳統(tǒng)靜止變流器的電路結(jié)構(gòu)主要包括單相逆變器和三相逆變器。目前單相逆變器的主電路主要包括全橋和半橋兩種。而三相逆變器的主電路主要包括三相橋式、三相半橋和三相四橋臂等結(jié)構(gòu)。

1.1 三相橋式逆變器

三相橋式逆變器［1］，圖1所示為三相橋式逆變器拓撲，電路結(jié)構(gòu)簡單，采用的器件較少，功率管承受母線電壓，直流母線電壓利用率高，一般用于功率較大場合。但為了得到三相四線制的輸出電壓，提高逆變器帶不平衡負載的能力，必須在輸出端增加中點形成變壓器，使逆變器的體積和重量顯著增加。

圖1 三相橋式逆變器拓撲

1.2 三相半橋逆變器

三相半橋逆變器，圖2所示為三相半橋逆變器拓撲，也有結(jié)構(gòu)簡單、功率器件較少等特點。利用電源輸入端的兩個串聯(lián)電容的中點，作為輸出的中點，可構(gòu)成三相四線制的輸出。為防止中點電位的偏移，串聯(lián)電容的容值必須很大，使逆變器的體積和重量增加。而且半橋電路只是利用直流母線電壓的一半，因此，三相半橋逆變器適合于低壓中小功率輸出的場合。

圖2 三相半橋逆變器拓撲

1.3 三相四橋臂逆變器

三相四橋臂逆變器［2］，圖3所示為三相四橋臂逆變器拓撲，是在三相橋式逆變器的基礎上增加一個橋臂，該橋臂的作用是形成輸出中點，減小不平衡負載時三相輸出的不對稱度。逆變器的輸入端如果采用諧振直流環(huán)節(jié)時，四個橋臂的功率管均可實現(xiàn)零電壓開關。雖然該逆變器的控制比較復雜，但仍是目前的研究熱點。

圖3 三相四橋臂逆變器拓撲

2 雙Buck逆變器原理分析

無論單相全橋、單相半橋拓撲，還是三相橋式、三相半橋、三相四橋臂拓撲，都存在以下問題:(1)是橋臂直通問題。(2)二極管反向恢復損耗大的問題。

因此，擬采用一種單相雙Buck電路拓撲，圖4是雙Buck半橋逆變器的主電路原理圖，它可看成由兩個類似Buck的橋臂網(wǎng)絡變換器組成，分別由S1、D1、L1、C和S2、D2、L2、C構(gòu)成。圖5所示為三相雙Buck逆變器拓撲，是由3個單相雙Buck逆變器組合成的組合式三相逆變器。

該電路不存在橋臂直通，開關管體二極管不參與工作，不存在體二極管反向恢復損耗大的問題，效率高、可靠性高。

由于兩功率管之間串聯(lián)著兩個較大的濾波電感，因此該電路沒有傳統(tǒng)逆變橋的直通問題，提高了可靠性。另外，續(xù)流電流流過獨立的續(xù)流二極管，功率開關管和續(xù)流二極管可以分別得到最優(yōu)設計［3］。

圖4 雙Buck逆變器主電路結(jié)構(gòu)

3 雙Buck逆變器舉例分析

針對一500 VA/115 V/400 Hz的三相半橋雙降壓式逆變器做了工作原理的仿真驗證。仿真條件為:輸入電壓Ui=360 V，三相基準正弦波對稱，三相控制電路參數(shù)相同，其中電壓環(huán)PI控制參數(shù)為Kpa=Kpb=Kpc=4，τia=τib=τic=4.4 ×10－5。輸出濾波參數(shù)L1=L2=L3=L4=L5=L6=1 mH，Ca=Cb=Cc=2 μF，圖 6～圖9分別是負載狀況分別為三相空載、三相平衡阻性額定負載、三相平衡感性額定負載和三相平衡容性額定負載。

表1 平衡負載條件下的輸出電壓幅值、相位仿真數(shù)據(jù)負載狀態(tài)

表1可以看到在三相基準正弦波對稱、三相控制參數(shù)相同和帶三相平衡負載的條件下，三相輸出電壓的幅值和相位都是對稱的［4］。

從以上分析，可以得到以下結(jié)論:

(1)傳統(tǒng)逆變器中開關管平均開關頻率近似是雙Buck逆變器中開關管平均頻率的兩倍。因此，傳統(tǒng)逆變器的開關損耗要大于雙Buck逆變器的開關損耗。

(2)傳統(tǒng)逆變器中是利用開關管的二極管進行續(xù)流，而雙Buck逆變器利用獨立的二極管進行續(xù)流，可以進行最優(yōu)化設計，采用反向恢復時間短，導通壓降小的二極管，所以雙Buck逆變器效率要高于傳統(tǒng)逆變器的效率。

(3)雙Buck逆變器的兩只開關管之間有兩只電感串聯(lián)，即使兩個開關管同時開通，也不會出現(xiàn)直通現(xiàn)象，所以不必設置死區(qū)，因此不會產(chǎn)生由于死區(qū)造成的輸出電壓波形畸變。

(4)雙Buck逆變器需要兩個LEM和兩個濾波電感。

4 結(jié)束語

文中提出的雙Buck逆變器作為半橋逆變器的一種特殊形式，具有傳統(tǒng)半橋逆變器的一般特點，且無功率管直通問題，系統(tǒng)抗干擾能力強、可靠性高，功率開關管和續(xù)流二極管可分別得到優(yōu)化設計，開關損耗低，可實現(xiàn)較高的開關頻率，不需要設置死區(qū)時間，消除死區(qū)引起的電路非線性及輸出波形畸變問題。但從電路架構(gòu)和控制方法上看，存在不足。增加了兩只獨立的續(xù)流二極管和兩只濾波電感及兩只電流互感器LEM。

［1］嚴仰光.航空航天器供電系統(tǒng)［M］.北京:航空工業(yè)出版社，1996.

［2］阮新波，嚴仰光.直流開關電源的軟開關技術［M］.北京:科學出版社，2000.

［3］KANG B J，LIAN C M.Random hysteresis PWM inverter with robust spectrum shaping［J］.IEEE Transactions on Aerospace and Electronic System，2001，21(10):118 －121.

［4］SATOSHI H，MUTSUO N.Duplex two switch forward transformers linked soft－switch high frequency PWM DC－DC converter with tapped inductor filter［J］.IEEE PCC － Osaka，2002，24(8):1101－1108.