航空靜止變流器技術(shù)

王幫亭，鄭 建

(上海飛機設(shè)計研究院電氣設(shè)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(shè)備使用。

靜止變流器是綜合應用電力電子技術(shù)對飛機電能進行二次變換的裝置，它綜合了電力技術(shù)、電子技術(shù)與控制技術(shù)。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(shù)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(shè)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(chǔ)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(guān)。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(guān)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(guān)管和續(xù)流二極管可以分別得到最優(yōu)設(shè)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(guān)管平均開關(guān)頻率近似是雙Buck逆變器中開關(guān)管平均頻率的兩倍。因此，傳統(tǒng)逆變器的開關(guān)損耗要大于雙Buck逆變器的開關(guān)損耗。

(2)傳統(tǒng)逆變器中是利用開關(guān)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(shè)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(guān)管之間有兩只電感串聯(lián)，即使兩個開關(guān)管同時開通，也不會出現(xiàn)直通現(xiàn)象，所以不必設(shè)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(guān)管和續(xù)流二極管可分別得到優(yōu)化設(shè)計，開關(guān)損耗低，可實現(xiàn)較高的開關(guān)頻率，不需要設(shè)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(guān)電源的軟開關(guān)技術(shù)［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.