電力電子技術在多電及混合動力推進飛機上的應用進展

王 鶴,陳永祿

(中國飛行試驗研究院,西安 710089)

0 引言

多電飛機技術是航空科技發展的全新技術。多電飛機(More electric aircraft, MEA)用電能代替傳統二次能源,可簡化飛機能源系統結構,且可優化飛機性能、降低運行和維護成本、提高簽派可靠性、最大限度地減少氣體排放。

MEA用電能代替液壓能,移除液壓系統有助于提高飛機可靠性,降低復雜性,減少冗余,減輕重量,降低安裝和維護成本[1]。MEA通過發動機起動發電機對航空發動機進行電起動,可降低發動機起動功率。MEA采用電動泵代替發動機引氣系統可降低復雜性和安裝成本[2]。此外,MEA采用渦輪電力或混合電力推進可以提高飛機的能量轉換效率。

作為商業運營中電氣化程度最高的多電飛機,波音787“夢幻客機”通過六臺發電機產生的最大總發電功率可達1.45 MW[3]。圖1(a)所示為波音787“夢幻客機”的電氣系統簡化框圖。由圖1(a)可知,電力電子技術在多電飛機的全電氣化發展中發揮了關鍵作用。圖1(b)所示為飛機混合電力推進系統的簡化框圖,由圖1(b)可知,DC-AC功率變換器在飛機混合電力推進系統中起關鍵作用。該系統是將發電機和電動機進行電氣互連,并調節它們之間的功率,實現高效率高功率密度的混合電力推進。

圖1 (a) 多電飛機中主要電氣系統簡化框圖;(b)飛機混合電力推進系統的簡化框圖

1 功率半導體器件和固態保護

1.1 碳化硅器件

與同功率的傳統硅基功率器件相比,碳化硅器件具有更低的開關損耗、更快的開關速度、更高的擊穿電壓和更高的熔點[4]。金屬-氧化物半導體場效應晶體管(Metal-oxide-semiconductor field-effect transistor, MOSFET)是電壓控制元件,鑒于硅基器件在高壓高頻變換中會產生相當大的損耗,碳化硅MOSFET將成為高效高功率密度功率變換器的最佳選擇。

實際上,采用快速開關碳化硅MOSFET的電力電子系統也有一些不足之處,主要體現在:(1)碳化硅功率器件的高頻諧波比硅絕緣柵雙極晶體管(Insulate-gate bipolar transistor, IGBT)的高40～50 dB(100～300倍),如圖2所示,電力電子系統級電磁干擾濾波器和布局方法需要仔細設計;(2)與同功率的硅基器件相比,因為碳化硅MOSFET具有較慢的飽和帶輸出特性,所以其耐短路能力較弱[5];(3)碳化硅MOSFET電壓上升時間短,將在負載側產生更高的浪涌電壓。

圖2 硅和碳化硅器件之間的諧波比較

盡管如此,碳化硅開關器件的可靠性非常高。當阻斷電壓接近器件額定電壓時,碳化硅MOSFET的故障率遠低于硅基IGBT[6]。

1.2 氮化鎵器件

與碳化硅器件類似,氮化鎵器件也具有開關損耗低、開關速度快和熔點高等優點,但其抗電壓擊穿能力較低[4]。因此,氮化鎵器件目前在低功率高頻應用等方面的應用具有優勢,例如可用于功率小于10 kW的開關電源。

1.3 固態斷路器

固態斷路器(Solid state circuit breaker, SSCB)具有許多優點,如更高的效率和功率密度以及更高的可靠性[7]。SSCB的電路示意圖如圖3所示,圖中Vbus表示270 V直流母線,電感Lseries指系統內母線和接線電感的總合。實驗結果表明,母線電壓為270 V時,對于250 A短路故障的斷開動作可控制在10 μs之內,對于450 A的短路故障斷開動作可控制在70 μs之內。

圖3 270 V DC的SSCB電路示意圖

2 多電飛機中的電力電子變換器

2.1 直流-直流變換器

直流-直流變換器(DC-DC變換器)用于270 V高壓和28 V低壓之間的變換,也可用于28 V和電池之間的雙向功率變換。圖4所示為一種隔離型雙有源橋(Dual active bridge, DAB)DC-DC變換器。由于圖4中存在高頻變壓器,該變換器電壓調節范圍非常寬。此外,實驗結果表明,由于采用了碳化硅MSOFET,該DAB變換器可在溫度高達300 ℃的高溫環境下工作。

圖4 雙有源橋式DC-DC變換器(270 V/28 V)

圖5所示為文獻[8]中報道的一種三端口DC-DC變換器,該變換器用于和太陽能光伏、電池和太陽能電池的直流負載電源系統連接。實驗結果表明,圖5所示的三端口變換器具有較高的效率和功率密度。

圖5 移相控制的三端口DC-DC變換器

文獻[9]報道了一種基于增強型氮化鎵器件的雙輸出三電平DC-DC變換器,該變換器可用作機載電池充電器,其電路拓撲如圖6所示。

圖6 電容鉗位雙輸出3電平DC-DC變換器拓撲

2.2 直流-交流逆變器

在文獻[10]中設計了一種新型具有零電流開關(Zero current switching, ZCS)的模塊化無槽逆變器,用于多電飛機的大功率直流-交流變換。這種新型逆變器的電路拓撲如圖7所示。由圖7可知,ZCS狀態是通過在逆變器級以比分區級更寬的占空比切換開關器件獲得的。

圖7 MEA模塊化無槽ZCS逆變器拓撲

在文獻[11]中,基于氮化鎵器件利用飛跨電容多電平變換器(Flying capacitor multi-lever inverter, FCML)研制了一種雙交錯9級逆變器,其電路拓撲如圖8所示。根據文獻[11]的實驗測試結果,這種新型變換器的峰值效率為98.6%,重量功率密度為17.3 kW/kg,體積功率密度為35.3 kW/L。

在文獻[12]針對飛機混合電力推進系統,研制了一種直流母線電壓為2.4 kV的兆瓦級三相三電平兩級解耦有源中性點箝位(Three-level two-stage decoupled active neutral point clamped, TD-ANPC)逆變器,該逆變器的電路拓撲和配置如圖9所示。此外,實驗測試結果表明,圖9所示逆變器的峰值效率為99.4%,功率密度為12.0 kW/kg。

圖9 三電平TD-ANPC逆變器的單相支路

2.3 交流-直流整流器

圖10所示電路拓撲為一種新的用于多電飛機的三電平三開關整流器,稱為Vienna整流器。文獻[13]對輸出功率水平為10 kW的三相升壓整流器、三相降壓整流器和三相Vienna整流器從重量、體積和航空電子應用效率等方面進行比較分析,結果表明,在不考慮可靠性的情況下Vienna整流器具有最高的功率密度。

圖10 三相三電平Vienna整流器

2.4 交流-交流變流器

在文獻[14]中,開發了一種矩陣變換器,如圖11所示,用于作為地面電源裝置(GPU)為飛機電氣系統供電,并可啟動飛機發動機。文獻[15]提出了一種單輸入雙輸出間接矩陣變換器(Indirect matrix converter, IMC)。將簡單的雙管正激變換器(Two transistors forward converter, TTFC)添加到IMC的直流環路以獲得直流輸出電壓,如圖12所示。實驗測試結果表明,該電路具有結構緊湊、交直流輸出獨立穩定、整流級零電流開關等優點。

圖11 帶有濾波器的矩陣變換器GPU拓撲

圖12 單輸入雙輸出間接矩陣變換器拓撲

3 功率變換器開發實例

3.1 功率變換器硬件開發

3.1.1 直流側EMI濾波器

較高的開關頻率和尖銳的開關邊緣都會使SiC MOSFET的高頻諧波含量比Si IGBT的高頻諧波含量差約40～50 dB(100～300倍),這意味著在使用SiC器件時,系統級EMI濾波器和布局方法需要進行仔細分析。開發的EMI濾波器的額定值分別為1.0 kA和±1.5 kV,其基本電路示意圖如圖13所示。

圖13 直流EMI濾波器的基本電路拓撲

3.1.2 dv/dt輸出濾波器

RLCdv/dt濾波器的電路拓撲如圖14所示。從圖14可知,RLCdv/dt濾波器由三相差模單匝電感、阻尼電阻和薄膜電容器組成,薄膜電容器采用Y形連接,其中性點連接到直流母線中點,以減輕共模dv/dt。

圖14 dv/dt濾波器的基本電路拓撲

3.2 ANPC變換器的新型PWM控制策略

SiC功率變換器實現的一個主要問題是大型換相回路中顯著的雜散電感,將在變換器切換期間在功率器件中引起顯著的關斷電壓尖峰和開關損耗。圖15(a)～(e)所示為逆變器的一個支路從正(P)狀態到負(N)狀態的開關狀態,圖中所有標記為紅色的功率器件均為接通狀態(圖中加圈的功率器件)。當逆變器從N狀態切換到P狀態的開關狀態與圖15中所示的過程反向對稱(即開關狀態路徑為N→NZ→CZ→PZ→P)。在這兩種狀態切換情況下,由圖15可知,電流僅在同一模塊中的兩個SiC器件之間交換,這樣的開關損耗最小。

圖15 ANPC逆變器支路從P狀態切換到N狀態的開關狀態(紅色表示器件處于接通狀態)

3.3 實驗結果

為了驗證功率轉換器硬件設計功能和所提出的PWM策略,在實驗室進行了三相泵回測試。圖16所示為三相泵回操作的電路原理圖,圖中兩個三相3L-ANPC變換器單元以背靠背方式連接,交流側通過三個單相電感和一個CM電感耦合。一個變換器單元作為逆變器運行,另一個作為整流器運行,直流輸出反饋至直流電源。

圖16 三相泵回測試電路示意圖

直流側有兩個級聯EMI濾波器,3L-ANPC逆變器系統傳導EMI測量結果如圖17所示。初步實驗結果表明,總傳導EMI(包括共模和差模EMI)低于EMC標準DO-160L限制線(即40 dB·μA)。圖18所示為dv/dt濾波器前后線電壓中dv/dt測量值對比圖。由圖18可以看出,RLC濾波器后的dv/dt減小到2～4 kV/μs之間,滿足小于5 kV/μs的要求。

圖17 設計的EMI濾波器的傳導EMI測量結果

圖18 RLC濾波器前后dv/dt測量結果

在直流母線電壓為±1.2 kV、開關頻率為20.0 kHz、基波電流頻率為1.4 kHz、電流有效值為430 A的條件下,通過三相泵回試驗測試3L-ANPC逆變器的全功率。圖19(a)和(b)分別顯示了直流母線電壓為±1.2 kV時,輸出頻率分別為1.0 kHz和1.4 kHz時測得的輸出電壓和電流值。測得的三相3L-ANPC逆變器總損耗為9.6 kW,在額定功率因數為0.83時,逆變器的效率為99%。

圖19 3L-ANPC逆變器在±1.2 kV線電壓和負載電流:(a)輸出頻率為1.0 kHz;(b)輸出頻率為1.4 kHz

4 結語

電力電子技術的最新進展極大地促進了多電飛機及混合動力系統的發展。本文對電力電子技術在多電飛機中的應用進行了綜述,涵蓋了功率半導體器件的最新發展,以及各種新型功率變換拓撲的發展。功率變換器的發展需要綜合考慮可靠性、高效率和高功率密度,有時由于這些因素之間的潛在沖突,必須做出妥協。例如,功率變換器的冗余設計提高了容錯能力,但降低了變換器效率和功率密度。本文介紹的用于多電飛機及混合電力推進系統的兆瓦級中壓3L-ANPC功率變換器,以其獨特的硬件電路拓撲設計和新穎的控制策略,在地面實驗驗證中,在額定工作條件下實現了99%的高效率和12 kVA/kg的高功率密度,后續還必須考慮各種不同的運行工況,并且需要在多電飛機及混合電力推進系統實際的飛行實驗場景下對關鍵技術(如直流斷路器的性能)進行實驗驗證。